一种二维多铁性氢氧化物材料的设计和预测方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种二维多铁性氢氧化物材料的设计和预测方法及其系统，其方法为：获取标准的三维氢氧化物XOOH块体的晶体结构文件，利用可视化软件对其切割并在c方向增加真空层，借助VESTA软件将结构文件类型转为.vasp文件格式；对构建的氢氧化物单层体系进行结构优化计算，确定其铁电自发极化及铁弹自发应变方向；通过旋转体系中的羟基和施加面内应力，寻找体系其他铁电相和铁弹相，在两铁电相和铁弹相之间分别插点寻找中间相，并分别计算两铁电相和两铁弹相之间的反转能垒；计算体系的铁电极化随铁弹过渡路径的变化，解释两种铁性的耦合的内在机制。本发明专利技术方法和系统平台降低实验试错成本，实现了一种二维铁电和铁弹耦合的多铁性材料的筛选/预测。铁性材料的筛选/预测。铁性材料的筛选/预测。

【技术实现步骤摘要】
一种二维多铁性氢氧化物材料的设计和预测方法及其系统


[0001]本专利技术涉及新材料
，具体而言，涉及一种基于第一性原理计算预测氢氧化物多铁材料性质的方法。

技术介绍

[0002]多铁性材料是一种重要的量子凝聚态物质，包括具有铁电、铁磁/反铁磁或铁弹性的多功能材料，其有序参数包括电极化、自旋极化和应变。在外部因素作用下，它们可以实现可逆的相互转换。当一种材料中同时包含两种或两种以上铁性时被称为多铁材料，且不同的有序态之间可以存在耦合，通过不同的外场相互调控。与铁磁和铁弹性多铁材料中的与自旋磁矩有关的铁磁性/反铁磁性相比，铁电性和铁弹性都与晶体结构有内在的联系。因此，若铁电性和铁弹性共存于同一个体系中，这两种铁性将更容易实现强耦合，可通过施加机械应力控制沿不同平面轴的偏振状态，因此铁电和铁弹耦合多铁材料广泛应用于非易失性存储器中，不仅在无电源供应时依然保持存储的数据，并且可以极大地降低功耗。
[0003]此类材料可广泛存在于氧化物中，如层状氧化物Bi2WO6薄膜和钙钛矿型BiFeO3薄膜，并已被实验报道证实。但是由于存在较强离子键相互作用，机械剥离氧化物较为困难，这限制了少层层状氧化物材料的发展。二维范德华铁电和铁弹耦合的多铁材料二硫化铼在实验上的成功合成已经取得突破，可实验上对此类材料的研究数据甚少。为设计寻找更多性质优异的二维多铁材料，需同时考虑降低实验试错成本，除了关注铁磁
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铁电、铁磁
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铁弹多铁材料之外，筛选二维铁电
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铁弹多铁材料具有重要的科学意义。基于第一性原理计算，人们成功地预测了一些二维铁电
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铁弹多铁材料，如ZrI2单层、Bi2O2Se单层、BP5单层和γ
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FeOOH单层等。然而，超薄的二维系统受到大的去极化场引起的不稳定性的制约，并抑制了垂直于表面的铁电极化。此外，为促进铁弹性和铁电性的共存，需要较为严格的晶体对称性，筛选二维铁电和铁电耦合的多铁材料有助于进一步工业应用。
[0004]空间群为Pmn21的金属氢氧化物单层因其独特的结构特点，可同时呈现铁电性和铁弹性，且晶体结构稳定、剥离能与石墨烯相近，证明其在实验上的可操作性较强。该体系中羟基的旋转对于多铁性具有十分重要的贡献，一方面，不仅可诱发两种铁电极化状态，并通过低能垒的反铁电相而非高能垒的顺电相进行切换；另一方面，其面内的极化状态可以通过铁弹性调制，在应力的作用下，铁弹自发应变方向的改变同样伴随着羟基的旋转，即极化方向的改变，由此实现铁电
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铁弹耦合。而目前为止，在这类氢氧化物的理论研究中对于铁弹过渡路径的选取并未突出羟基旋转的贡献。因此设计此类单层材料并寻找一种新型铁弹过渡路径方法对实验具有重要的指导意义和应用价值。
[0005]现有技术存在：实验难度大，试错成本高；至今为止铁电和铁弹耦合的二维多铁材料较少，计算筛选此类二维材料较为困难的问题。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种
二维多铁性氢氧化物材料的设计和预测方法及其系统，基于羟基旋转来实现铁弹切换，实现一类新型二维多铁材料的筛选，预测，设计。本专利技术的优点在于：降低实验试错成本；实现了一种二维铁电和铁弹耦合的多铁性材料的筛选/预测；提供了一种基于羟基旋转的铁电和铁弹耦合方法。可达到的技术效果为：预测了一类铁电和铁弹耦合的二维多铁材料。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种二维多铁性氢氧化物材料的设计和预测方法，基于羟基旋转来实现铁弹性和铁弹性的耦合，筛选和预测铁电和铁弹耦合的二维多铁性氢氧化物材料，其步骤如下：
[0009]步骤S1：利用晶体数据库获取标准的三维氢氧化物块体的晶体结构文件，利用可视化软件对三维氢氧化物块体进行解理切割，并在c方向增加真空层的厚度；利用VESTA软件，将晶体结构文件类型转为.vasp文件格式，从而获取氢氧化物单层体系；
[0010]步骤S2：对在所述步骤S1中构建的氢氧化物单层体系进行结构优化第一原理计算，得到稳定的结构；确定氢氧化物单层体系的铁电自发极化及铁弹自发应变方向；
[0011]步骤S3：通过旋转氢氧化物单层体系中的羟基和施加面内应力，寻找氢氧化物单层体系其他铁电相和铁弹相，根据氢氧化物单层体系对称性分别寻找中间相，并分别计算两铁电相和两铁弹相之间的翻转能垒；
[0012]步骤S4：计算氢氧化物单层体系的铁电极化随铁弹过渡路径的变化，获取铁电
‑
铁弹耦合关系，从而预测铁电和铁弹耦合的二维多铁性氢氧化物材料。
[0013]优选地，在所述步骤一中，所述三维氢氧化物的化学式为XOOH，其中X为Sc和Al中的至少一种。
[0014]优选地，所述步骤S1的步骤如下：
[0015]步骤S1.1：以晶体数据库中获得的三维氢氧化物块体为初始结构，逐步增加层间距离，并做自洽计算，直至体系能量趋于稳定，将此结构和初始结构的能量做差，可得体系剥离能；
[0016]步骤S1.2：利用可视化软件，将三维氢氧化物块体结构切割为二维单层，并在c方向增加真空层的厚度，且真空层的厚度设置为以消除层间相互作用；
[0017]步骤S1.3：利用VESTA软件，将晶体结构文件类型转为.vasp文件格式，从而获取氢氧化物单层体系。
[0018]优选地，在所述步骤S1中，利用Materials Project晶体数据库获取标准的三维氢氧化物块体的晶体结构文件。
[0019]优选地，所述步骤S2的步骤如下：
[0020]步骤S2.1：对氢氧化物单层体系进行原子位置和晶胞体积的优化，设置参数为ISIF＝3,IBRION＝2，采用共轭梯度算法；力的收敛标准设置为每个原子低于能量收敛标准则为10
‑6eV；
[0021]步骤S2.2：当达到收敛标准后，进行下一步电子结构计算，可得所有体系均为半导体；
[0022]步骤S2.3：通过对氢氧化物单层体系做从头算分子动力学模拟(AIMD)，同时计算其声子谱和弹性常数，证实结构具有热力学、动力学和力学稳定性。
[0023]优选地，所述步骤S3的步骤如下：
[0024]步骤S3.1：将氢氧化物单层体系中两羟基同时沿c轴旋转180
°
，得到另一个稳定的
铁电相；只旋转其中一个羟基，可得反铁电相；将反铁电相作为中间相，分别在反铁电相与两铁电相之间插点，通过采用爬坡弹性带(CI
‑
NEB)法计算，得到铁电翻转能垒；
[0025]步骤S3.2：利用基于Berry phase贝里相方法的现代极化理论计算体系的铁电极化值P；
[0026]步骤S3.3：对初始铁弹态变体的短轴即b轴施加单轴拉伸应变，将晶格短轴切换到a轴，从而产生另一个稳定的铁弹态变体；根据结构对称性及两铁弹态变体中羟基的位置，将羟基沿c轴排列的结构作为顺弹相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维多铁性氢氧化物材料的设计和预测方法，其特征在于，基于羟基旋转来实现铁弹性和铁弹性的耦合，筛选和预测铁电和铁弹耦合的二维多铁性氢氧化物材料，其步骤如下：步骤S1：利用晶体数据库获取标准的三维氢氧化物块体的晶体结构文件，利用可视化软件对三维氢氧化物块体进行解理切割，并在c方向增加真空层的厚度；利用VESTA软件，将晶体结构文件类型转为.vasp文件格式，从而获取氢氧化物单层体系；步骤S2：对在所述步骤S1中构建的氢氧化物单层体系进行结构优化第一原理计算，得到稳定的结构；确定氢氧化物单层体系的铁电自发极化及铁弹自发应变方向；步骤S3：通过旋转氢氧化物单层体系中的羟基和施加面内应力，寻找氢氧化物单层体系其他铁电相和铁弹相，根据氢氧化物单层体系对称性分别寻找中间相，并分别计算两铁电相和两铁弹相之间的翻转能垒；步骤S4：计算氢氧化物单层体系的铁电极化随铁弹过渡路径的变化，获取铁电
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铁弹耦合关系，从而预测铁电和铁弹耦合的二维多铁性氢氧化物材料。2.根据权利要求1所述的二维多铁性氢氧化物材料的设计和预测方法，其特征在于：在所述步骤一中，所述三维氢氧化物的化学式为XOOH，其中X为Sc和Al中的至少一种。3.根据权利要求1所述的二维多铁性氢氧化物材料的设计和预测方法，其特征在于：所述步骤S1的步骤如下：步骤S1.1：以晶体数据库中获得的三维氢氧化物块体为初始结构，逐步增加层间距离，并做自洽计算，直至体系能量趋于稳定，将此结构和初始结构的能量做差，可得体系剥离能；步骤S1.2：利用可视化软件，将三维氢氧化物块体结构切割为二维单层，并在c方向增加真空层的厚度，且真空层的厚度设置为以消除层间相互作用；步骤S1.3：利用VESTA软件，将晶体结构文件类型转为.vasp文件格式，从而获取氢氧化物单层体系。4.根据权利要求1所述的二维多铁性氢氧化物材料的设计和预测方法，其特征在于，所述步骤S2的步骤如下：步骤S2.1：对氢氧化物单层体系进行原子位置和晶胞体积的优化，设置参数为ISIF＝3,IBRION＝2，采用共...

【专利技术属性】
技术研发人员：任伟，程旭丽，许少文，张灵瑶，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：