本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料帶隙計(jì)算領(lǐng)域，具體涉及一種基于團(tuán)簇計(jì)算二維超原子晶體的方法。

背景技術(shù)：

1、迄今為止，二維材料已經(jīng)發(fā)展出過渡金屬二鹵化物、過渡金屬碳化物/氮化物、過渡金屬氧化物、鍺烯和磷烯等材料。二維材料由于其不對稱特征具有如非三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、鐵磁性、電荷密度波和其他光電特性，可應(yīng)用于電子學(xué)、光子學(xué)、谷電學(xué)和自旋電子學(xué)，以及納米尺度的催化和能量轉(zhuǎn)換等新興領(lǐng)域。

2、帶隙是二維材料的重要性質(zhì)，決定了其一系列基礎(chǔ)物理特性，比如光子激發(fā)、電子傳輸?shù)取０l(fā)展調(diào)節(jié)帶隙的方法有助于進(jìn)一步構(gòu)筑具有可調(diào)節(jié)性能的二維材料基電子和光電器件，推進(jìn)二維材料的實(shí)際應(yīng)用。目前調(diào)控二維材料帶隙的方法有應(yīng)力調(diào)控、施加電場、元素?fù)诫s等方法，應(yīng)力調(diào)控一般需要精細(xì)的設(shè)計(jì)，比如應(yīng)力大小、方向和施加方式等；施加應(yīng)力的效果與具體施加條件密切相關(guān)，對實(shí)驗(yàn)樣品的制備工藝有較大的要求；施加電場方法方便調(diào)節(jié)，但是一旦電場消失，能帶調(diào)控的效果將難以維持，同時(shí)若電場強(qiáng)度過大，可能發(fā)生量子隧穿效應(yīng)等不利影響；原子摻雜的方法可以通過摻雜濃度、種類以及摻入方式等多個(gè)方面進(jìn)行調(diào)控，但是在制備過程中，摻雜原子的濃度和摻雜位置難以控制，摻雜后對材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響?？傮w來說，目前的方法雖然已經(jīng)成功調(diào)控二維功能材料的帶隙，但是由于實(shí)驗(yàn)工藝存在難以控制等問題，需要發(fā)展調(diào)控設(shè)計(jì)不同帶隙的二維功能材料新方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于團(tuán)簇計(jì)算二維超原子晶體的方法。本發(fā)明以tm6e8x2團(tuán)簇為材料構(gòu)建單元，以計(jì)算得到的團(tuán)簇的能隙值作為依據(jù)，可用于確定目標(biāo)二維超原子晶體tm6e8x2(x＝f、cl、br、i)，進(jìn)而可計(jì)算得到目標(biāo)二維超原子晶體tm6e8x2的帶隙。

2、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案如下：

3、一種基于團(tuán)簇計(jì)算二維超原子晶體的方法，包括以下步驟：

4、1)計(jì)算不同的tm6e8x2團(tuán)簇的能隙，x＝f、cl、br或i；

5、2)根據(jù)步驟1)的結(jié)果，確定目標(biāo)tm6e8x2二維超原子晶體；

6、3)計(jì)算目標(biāo)tm6e8x2二維超原子晶體的帶隙。

7、發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，以tm6e8x2材料為基礎(chǔ)，通過鹵素配體修飾團(tuán)簇，并利用修飾后的團(tuán)簇作為構(gòu)建基元，計(jì)算得到的團(tuán)簇的能隙值，可作為tm6e8x2二維超原子晶體的帶隙的參考值。從而可用于篩選出目標(biāo)tm6e8x2二維超原子晶體，再進(jìn)行對應(yīng)的帶隙計(jì)算。

8、通式tm6e8x2中，tm選自鈧、鈦、釩、鉻、錳、錸、鐵或鎢等過渡金屬元素，e選自硫、硒或碲等硫族元素。

9、具體的，步驟1)包括以下步驟：

10、1a)使用基于密度泛函理論的第一性原理的量子力學(xué)模擬軟件建立tm6e8x2團(tuán)簇的原子結(jié)構(gòu)模型；

11、1b)基于共軛梯度算法或者擬牛頓算法，采用第一性原理量子化學(xué)計(jì)算軟件對團(tuán)簇的原子模型進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到總內(nèi)能最低的模型；

12、1c)計(jì)算步驟1b)優(yōu)化后的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型的能級示意圖，并計(jì)算出能隙。

13、進(jìn)一步的，步驟1b)中，通過對初建的團(tuán)簇原子模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)弛豫來進(jìn)行優(yōu)化，k點(diǎn)設(shè)置為2×2×1，截?cái)嗄転?50ev。

14、具體的，步驟1)中，不同的tm6e8x2團(tuán)簇的能隙按照f、cl、br、i的順序依次降低。步驟2)中，不同的tm6e8x2二維超原子晶體的能隙按照f、cl、br、i的順序依次降低。

15、基于上述技術(shù)方案，不同的tm6e8x2團(tuán)簇的能隙按照f、cl、br、i的順序依次降低。對應(yīng)的，不同的tm6e8x2二維超原子晶體的能隙同樣按照f、cl、br、i的順序依次降低。因此，可根據(jù)tm6e8x2團(tuán)簇的能隙變化趨勢，確定具體選擇哪一種tm6e8x2二維超原子晶體作為目標(biāo)晶體。例如，當(dāng)需要選擇帶隙最低的tm6e8x2材料，由于tm6e8i2團(tuán)簇的能隙最低，即可選定目標(biāo)材料為tm6e8i2二維超原子晶體。

16、具體的，步驟3)包括以下步驟：

17、3a)基于共軛梯度算法或者擬牛頓算法，采用第一性原理量子化學(xué)計(jì)算軟件對目標(biāo)超原子晶格模型進(jìn)行充分的結(jié)構(gòu)弛豫；

18、3b)基于步驟3a)優(yōu)化的二維超原子晶格模型，基于共軛梯度算法采用第一性原理量子化學(xué)計(jì)算軟件采用共軛梯度算法對計(jì)算其三維能帶，從而得到其帶隙。

19、具體的，步驟3a)中，結(jié)構(gòu)弛豫的參數(shù)為：k點(diǎn)設(shè)置為2×2×1，截?cái)嗄転?50ev，力和能量的收斂標(biāo)準(zhǔn)分別為和10-6ev。

20、具體的，步驟2)包括以下步驟：對不同tm6e8x2團(tuán)簇的能隙值進(jìn)行比較，篩選出符合要求的目標(biāo)tm6e8x2二維超原子晶體。

21、本發(fā)明的有益效果：

22、本發(fā)明基于第一性原理的計(jì)算方法，操作簡單、準(zhǔn)確性高、應(yīng)用廣泛且重復(fù)性好；

23、通過本發(fā)明的計(jì)算即可篩選二維超原子晶體半導(dǎo)體材料，為制備光催化材料以及其他光電器件提供基礎(chǔ)，降低了研發(fā)難度。

技術(shù)特征：

1.一種基于團(tuán)簇計(jì)算二維超原子晶體的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于團(tuán)簇計(jì)算二維超原子晶體的方法，其特征在于，步驟1)包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于團(tuán)簇計(jì)算二維超原子晶體的方法，其特征在于，步驟1b)中，通過對初建的團(tuán)簇原子模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)弛豫來進(jìn)行優(yōu)化，k點(diǎn)設(shè)置為2×2×1，截?cái)嗄転?50ev。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于團(tuán)簇計(jì)算二維超原子晶體的方法，其特征在于，步驟3)包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于團(tuán)簇計(jì)算二維超原子晶體的方法，其特征在于，步驟3a)中，結(jié)構(gòu)弛豫的參數(shù)為：k點(diǎn)設(shè)置為2×2×1，截?cái)嗄転?50ev，力和能量的收斂標(biāo)準(zhǔn)分別為和10-6ev。

6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的基于團(tuán)簇計(jì)算二維超原子晶體的方法，其特征在于，步驟2)包括以下步驟：對不同tm6e8x2團(tuán)簇的能隙值進(jìn)行比較，篩選出符合要求的目標(biāo)tm6e8x2二維超原子晶體。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于團(tuán)簇計(jì)算二維超原子晶體的方法，其特征在于：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于團(tuán)簇計(jì)算二維超原子晶體的方法，其特征在于：通式tm6e8x2中，tm選自鈧、鈦、釩、鉻、錳、錸、鐵或鎢，e選自硫、硒或碲。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料帶隙計(jì)算領(lǐng)域，具體涉及一種基于團(tuán)簇計(jì)算二維超原子晶體的方法。該方法包括以下步驟：1)計(jì)算不同的TM<subgt;6</subgt;E<subgt;8</subgt;X<subgt;2</subgt;團(tuán)簇的能隙，X＝F、Cl、Br或I；2)根據(jù)步驟1)的結(jié)果，確定目標(biāo)TM<subgt;6</subgt;E<subgt;8</subgt;X<subgt;2</subgt;二維超原子晶體；3)計(jì)算目標(biāo)TM<subgt;6</subgt;E<subgt;8</subgt;X<subgt;2</subgt;二維超原子晶體的帶隙。本發(fā)明以TM<subgt;6</subgt;E<subgt;8</subgt;X<subgt;2</subgt;團(tuán)簇為材料構(gòu)建單元，以計(jì)算得到的團(tuán)簇的能隙值作為依據(jù)，可用于確定目標(biāo)二維超原子晶體TM<subgt;6</subgt;E<subgt;8</subgt;X<subgt;2</subgt;(X＝F、Cl、Br、I)，進(jìn)而可計(jì)算得到目標(biāo)二維超原子晶體TM<subgt;6</subgt;E<subgt;8</subgt;X<subgt;2</subgt;的帶隙。

技術(shù)研發(fā)人員：牛藝杰,封輝,李鶴,池強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國石油天然氣集團(tuán)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/19