一种预测多组分氮化物介电性质和相图的方法技术

本发明专利技术公开了一种预测多组分氮化物介电性质和相图的方法，包括以下步骤：步骤1，确定多组分材料不同结构相原子的特殊准随机排列；步骤2，进行结构优化计算；步骤3，进行电子结构自洽计算，获得不同化学组成、结构相的形成能和带隙；步骤4，进行密度泛函线性响应计算，材料的自发极化、对外电场的响应；步骤5，比较相同化学组成下不同结构相的形成能、结构信息，确定热力学稳定相，得出平衡相图。本发明专利技术能节省资源和时间，快速、高效、高度自动化地预测材料铁电性质和相图，缩短新型氮化物铁电材料的研发周期，具有重要的实际意义。具有重要的实际意义。具有重要的实际意义。

【技术实现步骤摘要】
一种预测多组分氮化物介电性质和相图的方法


[0001]本专利技术属于铁电材料
，具体涉及一种基于高通量第一性原理计算预测多组分氮化物介电性质和相图的方法。

技术介绍

[0002]铁电材料具有稳定的自发极化状态，在外电场下能从一个稳定的极化态转变到另一个极化态，且极化强度能受到温度、应力、应变等条件的影响，同时具有热释电、压电等性质，在热管理、能量存储利用、信息存储、信息传感等方面有丰富的应用。寻找具有优异性能的新型铁电材料，对于推动技术进步和经济社会发展有重要意义。
[0003]具有纤锌矿结构的氮化物是近年来发现的一种新型的铁电材料，其自发极化强度大于传统的Pb(Zr,Ti)O3等钙钛矿铁电材料和近年来广泛研究的HfO2基铁电材料，且适合与GaN基半导体技术集成，是性能更好的铁电材料，有巨大的应用前景，且有望在未来5～10年实现商用。
[0004]AlN是一种典型的具有纤锌矿结构的极性氮化物材料，但纯AlN中尚没有测到铁电极化翻转现象。2019年，Fichtner等人通过在AlN中掺杂Sc，在Sc含量为27％至43％范围内测得了电滞回线，首次证实了纤锌矿结构氮化物的铁电性。2021年，John Hayden等人在AlN中掺杂B，在B含量为2％至19％范围内测得了铁电体的电滞回线。此外，也有实验和理论计算研究了在AlN中掺杂Ga,Y等元素的铁电性质。以上研究证实，通过在纤锌矿铁电材料中掺杂其他元素，可以调控铁电性质。
[0005]然而，已有的纤锌矿结构氮化物铁电材料的矫顽场通常较大，不利于应用。另一方面，已有的纤锌矿铁电材料范围仍然较为局限，集中于少数元素，且多为三种元素组成的化合物。通过扩大化学组成的范围，引入更多的元素组成，可以极大地拓宽选择空间，有希望获得具有更优性能的铁电材料。然而，多元材料的实验合成难度较大，成本较高。因此，通过高通量第一性原理计算筛选具有复杂化学组成的理想铁电性能的材料具有重要的实践价值。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于高通量第一性原理计算预测具有一定化学组成的氮化物的介电性质及其相图的方法。
[0007]为了实现上述的专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]步骤1，利用ATAT程序包的mcsqs程序，确定给定组分下金属氮化物各常见结构中原子理想位置的特殊准随机排列。
[0009]步骤2，利用VASP软件，使用共轭梯度法对材料原子结构做优化，获得优化后的晶胞结构。
[0010]步骤3，利用结构优化计算收敛后的结构进行自洽计算，得到Kohn
‑
Sham能量和能带信息，计算形成能。
[0011]步骤4，利用结构优化计算收敛后的结构做线性响应计算，计算材料的介电性质。
[0012]步骤5，比较各化学组成下所考虑的不同相的形成能，结合带隙、极化性质，确定热力学稳定相。
[0013]其中，所述的步骤2包括：
[0014]步骤2.1，利用VASP软件对原子位置、晶格形状和大小做优化，生成倒空间K点最大间距为离子步能量收敛标准为10
‑6eV，原子受力收敛标准为
[0015]步骤2.2，利用步骤2.1得到的结构，和初始结构比较，计算原子坐标弛豫系数CR和晶格弛豫系数LR2。
[0016]所述的步骤3包括：
[0017]步骤3.1，利用优化后的晶体结构，使用VASP软件做电子结构自洽计算，生成倒空间K点最大间距为设置参数“ISMEAR＝
‑
5”。
[0018]步骤3.2，根据步骤3.1自洽计算得到的电子结构，计算带隙大小。
[0019]步骤3.3，根据步骤3.1自洽计算得到的Kohn
‑
Sham能量，计算形成能。
[0020]所述的步骤4包括：
[0021]步骤4.1，使用VASP软件进行密度泛函线性响应计算，设置参数“LEPSILON＝.TRUE.”，计算Born有效电荷张量。
[0022]步骤4.2，根据步骤1所得的初始原子结构，构建无极化的参考相晶体结构。
[0023]步骤4.3，比较步骤2优化后晶体结构与步骤4.2中构建的参考相晶体结构，计算原子位移，并使用步骤4.1所得的Born有效电荷张量计算电极化强度。
[0024]步骤4.4，从步骤2所得优化后的晶体结构出发，施加强度逐步线性变化的电场，每个电场强度大小下，对原子位置、晶格形状和大小做优化，并计算电极化强度，得到电滞回线。
[0025]所述的步骤5包括：
[0026]步骤5.1，比较同一化学组成下各个相的形成能，取其中最低者，初步确定为热力学稳定相。
[0027]步骤5.2，根据步骤2.2计算的原子坐标弛豫系数CR和晶格弛豫系数LR2筛选计算结果，若CR大于或LR2大于0.20，则认为结构优化后已经不是初始相，排除该计算结果。
[0028]步骤5.3，比较相近化学组成的稳定相，找出异常点，具体比较优化后的晶体结构和带隙、电极化强度及其随化学组成的变化规律，判断结构优化中是否变为了其他相，修正该化学组成下的热力学稳定相。
[0029]步骤5.4，汇总所有化学组成下的稳定相，确定相界线，得到平衡相图。
[0030]本专利技术的技术方案有以下有益技术效果：
[0031]1.克服传统“试错法”实验的盲目性，节省资源和时间，不涉及实验，不产生化学污染，绿色环保；
[0032]2.基于高通量第一性原理计算快速预测材料的介电性能和相图，筛选具有良好性能的铁电材料，为实验制备提供理论指导，提高实验效率；
[0033]3.操作简单，能实现高度自动化，只需给出初始结构和化学组成，就能预测材料的
介电性质和稳定相。
附图说明
[0034]图1为本专利技术的方法流程图。
[0035]图2为金属氮化物常见结构示意图。
[0036]图3为实施例中原子位置弛豫因子CR随Sc组分含量的变化。
[0037]图4为实施例中晶格弛豫因子LR2随Sc组分含量的变化。
[0038]图5为实施例中带隙随Sc组分含量的变化。
[0039]图6为实施例中形成能随Sc组分含量的变化。
[0040]图7为实施例中极化强度随Sc组分含量的变化。
[0041]图8为实施例中Sc组分含量为31.25％时的电滞回线。
具体实施方式
[0042]下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明，但本专利技术的保护范围不局限于以下所述。
[0043]本专利技术预测多组分氮化物介电性质和相图的方法的流程如图1所示。
[0044]实施例：
[0045]以(Al,Ga,Sc)N体系为例，计算Ga组分固定为12.5％时，改变Sc和Al组成比例的热力学稳定相及其介电性质，包括以下步骤：
[0046]步骤1，使用mcsqs程序计算给定组分下原子的特殊准随机排列。选择氮化物的五种常见结构，即纤锌矿相(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测多组分氮化物介电性质和相图的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1，利用ATAT程序包的mcsqs程序，确定给定组分下金属氮化物各常见结构中原子理想位置的特殊准随机排列；步骤2，利用VASP软件，使用共轭梯度法对材料原子结构进行优化，获得优化后的晶胞结构；步骤3，利用结构优化计算收敛后的结构进行自洽计算，得到Kohn
‑
Sham能量和能带信息，计算形成能；步骤4，利用结构优化计算收敛后的结构进行线性响应计算，计算材料的介电性质；步骤5，比较各化学组成下所考虑的不同相的形成能，结合带隙、极化性质，确定热力学稳定相。2.根据权利要求1所述的预测多组分氮化物介电性质和相图的方法，其特征在于，所述的步骤1选择各成分元素的组分比例，获取金属氮化物常见结构，使用mcsqs程序计算至目标函数收敛或运行预定时长，获取最佳原子排列，并转换为VASP输入文件格式。3.根据权利要求1所述的预测多组分氮化物介电性质和相图的方法，其特征在于，所述的步骤2包括：步骤2.1，利用VASP软件对原子位置、晶格形状和大小进行优化，生成倒空间K点最大间距为离子步能量收敛标准为10
‑6eV，原子受力收敛标准为步骤2.2，利用步骤2.1得到的结构和初始结构比较，计算原子坐标弛豫系数CR和晶格弛豫系数LR2。4.根据权利要求1所述的预测多组分氮化物介电性质和相图的方法，其特征在于，所述的步骤3包括：步骤3.1，利用优化后的晶体结构，使用VASP软件进行电子结构自洽计算，生成倒空间K点最大间距为设置参数“ISMEAR＝
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉荣，马兴越，吴迪，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：