本發(fā)明屬于固態(tài)制冷，尤其涉及一種二維磁性材料磁卡性能的多尺度模擬方法。

背景技術(shù)：

1、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸及人類日常生活中大量使用化石能源，導致二氧化碳排放量不斷增加，進而加劇溫室效應。在全球能源消耗結(jié)構(gòu)中，制冷領(lǐng)域占據(jù)了相當大的比例。據(jù)統(tǒng)計，全球約30％的電能消耗用于制冷過程，制冷技術(shù)因此成為能源危機、溫室效應以及臭氧層破壞的重要推動因素之一。

2、與傳統(tǒng)的氣體壓縮制冷技術(shù)相比，固態(tài)制冷因其高能效及環(huán)境友好性，已成為一種備受關(guān)注的綠色制冷方案。固態(tài)制冷技術(shù)涵蓋了磁卡效應、電卡效應、彈卡效應和壓卡效應，其中磁卡效應是磁性材料在外加磁場作用下發(fā)生磁相變所導致的溫度變化。磁卡效應的研究已有悠久歷史，自1997年在塊狀gd5(si2ge2)材料中首次發(fā)現(xiàn)接近室溫的巨磁卡效應后，掀起了磁卡制冷領(lǐng)域的研究熱潮。2017年起，隨著本征二維鐵磁體如cri3和crgete3的成功合成，二維磁學的研究進入了一個全新的階段。二維磁體具有豐富的電學、光學、力學和熱學特性，并展現(xiàn)出諸如磁電效應、磁光效應及磁彈效應等新奇的物理現(xiàn)象，使其在自旋電子學和磁存儲器件領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。然而，較之其他功能性應用，二維磁體在磁制冷領(lǐng)域的研究仍處于相對早期階段。鑒于二維磁體的柔韌性及其在機械形變中的潛在應用，未來其在冷卻技術(shù)中的發(fā)展前景值得期待。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請的目的在于提供一種二維磁性材料磁卡性能的多尺度模擬方法，為高通量篩選綜合性能優(yōu)異的磁卡材料提供理論指導。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本申請其中一方面提供了一種二維磁性材料磁卡性能的多尺度模擬方法，包括以下步驟：s1：從二維材料數(shù)據(jù)庫中選擇二維鐵磁材料，并得到所述二維鐵磁材料的結(jié)構(gòu)文件；s2：利用第一性原理計算對所述二維鐵磁材料進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并得到能量最低的結(jié)構(gòu)構(gòu)型；s3：基于力定理計算所述二維鐵磁材料的磁晶各向異性能；s4：基于海森堡模型構(gòu)建不同的磁性態(tài)計算磁交換參數(shù)；s5：根據(jù)所述磁晶各向異性能和磁交換參數(shù)得出居里溫度，并基于麥克斯韋方程計算熵變與溫變值；s6：通過測量所述熵變的半展寬得出相對制冷功率；s7：計算原子間二階力常數(shù)和三階力常數(shù)，并計算二維磁性材料面內(nèi)的晶格熱導率。

3、優(yōu)選地，s1還包括：

4、所述二維材料數(shù)據(jù)庫為computational?2d?materials?database(c2db)；

5、通過所述二維材料數(shù)據(jù)庫選擇具有磁性的材料，并導出poscar結(jié)構(gòu)文件。

6、優(yōu)選地，s2還包括：利用第一性原理計算軟件vasp進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到基態(tài)晶體結(jié)構(gòu)并找到能量最低的晶體結(jié)構(gòu)。

7、優(yōu)選地，s3還包括：s31：進行自旋共線靜態(tài)計算輸出波函數(shù)文件wavecar和電荷密度文件chgcar；s32：讀取wavecar和chgcar進行自旋非共線計算，打開自旋軌道耦合lsorbit＝t，lnoncollinear＝t，lorbmom＝t，gga_compat＝f，nbands設(shè)置為自旋共線計算的兩倍，分別設(shè)置saxis＝001和saxis＝100得到兩個能量，e100-e001即為磁晶各向異性能。

8、優(yōu)選地，s4還包括：若計算到第三近鄰的磁交換參數(shù)，經(jīng)過擴建超胞，構(gòu)建一個鐵磁態(tài)與三個反鐵磁態(tài)，通過vasp計算不同磁態(tài)的能量，然后建立能量方程計算交換參數(shù)。

9、優(yōu)選地，s5還包括：將磁晶各向異性能和磁交換參數(shù)帶入vampire原子自旋模擬軟件包，并得到磁化強度隨外磁場和磁化強度隨溫度的變化曲線，從輸出文件中得到居里溫度。

10、優(yōu)選地，s5還包括：基于麥克斯韋方程計算磁熵變；基于計算最大溫變；其中，δsmag為磁熵變，h為磁場強度，s為熵，t為溫度，μ0為真空磁導率，m為磁化強度，為最大溫變，為最大磁熵變，tc為居里溫度，cp為熱容。

11、優(yōu)選地，s6還包括：根據(jù)熵變隨溫度的變化，將半峰寬δtfwhm定義為最大熵變的一半處的溫度展寬，并通過得出相對制冷功率。

12、優(yōu)選地，s7還包括：通過phonopy軟件包計算原子間二階力常數(shù)，thirdorder軟件包計算三階力常數(shù)，通過shengbte計算二維磁性材料面內(nèi)的晶格熱導率的大小。

13、本申請另一方面提供一種二維磁性材料磁卡性能的多尺度模擬系統(tǒng)，使用上述的方法，包括：第一獲取模塊，被配置為從二維材料數(shù)據(jù)庫中選擇二維鐵磁材料，并獲取二維鐵磁材料的結(jié)構(gòu)文件；第二獲取模塊，被配置為利用第一性原理計算對所述二維鐵磁材料進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并得到能量最低的結(jié)構(gòu)構(gòu)型；第一計算模塊，被配置為基于力定理計算所述二維鐵磁材料的磁晶各向異性能；第二計算模塊，被配置為基于海森堡模型構(gòu)建不同的磁性態(tài)計算磁交換參數(shù)；第三計算模塊，被配置為根據(jù)所述磁晶各向異性能和磁交換參數(shù)得出居里溫度，并基于麥克斯韋方程計算熵變與溫變值；第三獲取模塊，被配置為通過測量所述熵變的半展寬得出相對制冷功率；第四計算模塊，被配置為計算原子間二階力常數(shù)和三階力常數(shù)，并計算二維磁性材料面內(nèi)的晶格熱導率。

14、本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案可以達到以下有益效果：

15、1、通過自旋共線與非共線計算相結(jié)合，準確計算磁晶各向異性能、磁交換參數(shù)等關(guān)鍵磁性特征，全面反映二維鐵磁材料的磁學性質(zhì)；

16、2、利用原子自旋動力學模擬，直觀展示磁化強度隨外磁場和溫度的變化，精準預測居里溫度，為材料的磁性應用提供重要支持；

17、3、通過應變工程與載流子摻雜，研究外部條件對磁性性能的調(diào)控機制，為磁性材料的設(shè)計優(yōu)化提供有效指導和實踐依據(jù)。

技術(shù)特征：

1.一種二維磁性材料磁卡性能的多尺度模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度模擬方法，其特征在于，s1還包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度模擬方法，其特征在于，s2還包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度模擬方法，其特征在于，s3還包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度模擬方法，其特征在于，s4還包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度模擬方法，其特征在于，s5還包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度模擬方法，其特征在于，s5還包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多尺度模擬方法，其特征在于，s6還包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度模擬方法，其特征在于，s7還包括：

10.一種二維磁性材料磁卡性能的多尺度模擬系統(tǒng)，其特征在于，使用權(quán)利要求1-9任一項所述的多尺度模擬方法，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了二維磁性材料磁卡性能的多尺度模擬方法，包括以下步驟：S1：從二維材料數(shù)據(jù)庫中選擇二維鐵磁材料，并得到所述二維鐵磁材料的結(jié)構(gòu)文件；S2：利用第一性原理計算對所述二維鐵磁材料進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并得到能量最低的結(jié)構(gòu)構(gòu)型；S3：基于力定理計算所述二維鐵磁材料的磁晶各向異性能；S4：基于海森堡模型構(gòu)建不同的磁性態(tài)計算磁交換參數(shù)；S5：根據(jù)所述磁晶各向異性能和磁交換參數(shù)得出居里溫度，并基于麥克斯韋方程計算熵變與溫變值；S6：通過測量所述熵變的半展寬得出相對制冷功率；S7：計算原子間二階力常數(shù)和三階力常數(shù)，并計算二維磁性材料面內(nèi)的晶格熱導率。

技術(shù)研發(fā)人員：王輝,翟光偉,許雄,牛昌,李敏
受保護的技術(shù)使用者：中南大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/22