一种立方氧化锆掺杂Y、Nb的复合材料特性研究仿真方法
专利汇可以提供一种立方氧化锆掺杂Y、Nb的复合材料特性研究仿真方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种对ZrO2基晶体材料光、电特性及改性的仿真研究方法，采用基于 密度 泛函理论的第一性原理，以ZrO2为基体，对其进行特定过渡元素Y、Nb掺杂，首先建立粗糙模型，再通过计算构建稳定的晶 体模 型，并对其能带结构、分波态密度、光学特性进行了计算和分析，成本较低、操作简单、准确性高、应用广泛且重复性好。本发明首次构建出Y、Nb共掺的稳定复合模型，给出 复合体 系前后能带的变化，并揭示了变化规律分析了变化的原因；并同时计算了复合体系的光学性质，为开发新型多功能晶体材料奠定了理论 基础 。，下面是一种立方氧化锆掺杂Y、Nb的复合材料特性研究仿真方法专利的具体信息内容。
1.一种立方氧化锆掺杂Y、Nb的复合材料特性研究仿真方法，其为复合材料的模型构建、体系能带结构、电子能态密度，光学吸收及反射变化规律的计算。
2.为解决上述问题，本发明采取的技术方案为如下步骤：
采集实验样品的x-ray衍射数据，将该数据信息文件通过通用数据端口传递给Masterial Studio 2017软件；
在Masterial Studio 2017软件中，对实验数据进行精修处理分析，得到如图1图谱；
在Masterial Studio 2017软件中，导入c-ZrO2单晶胞，原始晶胞晶格常数为a=b=c=
0.5070nm，比实验值偏小，需要晶体结构优化；
选用Masterial Studio 2017软件包中的CASTEP模块，进行结构优化，设置总能量收敛标准为1×10-5 eV/atom，内应力小于0.05Gpa，位移小于0.0001 nm，最大力场小于0.03ev，优化后晶胞晶格常数为0.5118nm；
将优化后的晶胞扩展制作为三个维度上的2*2*2的超晶胞，晶格常数为1.0236nm，模型图如图2
选择超晶胞中顶点和边线上2个Zr原子，替换为Y原子，选择另外边线上的2个Zr原子，替换为Nb原子，如图2建立掺杂复合体系的结构模型；
将替换后的超晶胞结构再进行一次结构优化，结构优化的各个收敛标准不低于第一次结构优化的标准，如第一次优化设置，完全弛豫后超晶胞还是立方结构，晶格常数a=b=c=
1.0257nm，如图2俯视图；
对建立的超晶胞模型进行测试，使用粉末衍射模块，计算得出超晶胞的x-ray粉末衍射数据；
对比计算得到的超晶胞与试验粉末衍射数据，验证是否完全重合；
若计算数据与实验数据不重合，可以调整晶胞中原子的位置使二者图像数据重合；
使用与试验相匹配的建立的超晶胞模型进行下一步的能量任务计算，在CASTEP模块中，选择计算任务为“energy”；选择平面波截止能为380eV；采用4×4×4的Monkhorst –pack的K网格点设置，加入自旋极化，选用广义梯度近似GGA中的PBE方案处理价电子之间的交换关联相互作用；
对电子结构的能量计算选取合适的赝势，对于Y，Zr，Nb等过渡金属原子，超软赝势计算结果因未考虑d电子强关联相互作用，导致能带结构的禁带宽度偏低，我们选择模守恒赝势进行计算；
O，Y，Zr，Nb元素的价电子分别取2s22p4，3d104d15s2 , 3d104d25s2，3d104d35s2；
计算超晶胞模型的电子能带结构如图3；
计算O，Y，Zr，Nb元素的电子分波态密度如图4；
计算模型的差分电子密度分布如图5；
计算模型光学吸收率如图6；
计算模型光学反射率如图7；
计算模型电导率如图8。
3.根据权利要求1所述的一种立方氧化锆掺杂Y、Nb的复合材料特性研究仿真方法，其特征在于：图1中，导入的实验数据与模型计算的谱线能够相当好的拟合，拟合因子小于
10%，说明我们建立的模型与样品的晶体结构是吻合的。
4.根据权利要求1所述的一种立方氧化锆掺杂Y、Nb的复合材料特性研究仿真方法，其特征在于：图2中可以清楚的看到96个原子在模型中位置以及对称性，空间群是P4/MMM。
一种立方氧化锆掺杂Y、Nb的复合材料特性研究仿真方法
技术领域
背景技术
发明内容
（1）采集实验样品的x-ray衍射数据，将该数据信息文件通过通用数据端口传递给Masterial Studio 2017软件；
（2）在Masterial Studio 2017软件中，对实验数据进行精修处理分析，得到如图1图谱；
（3）在Masterial Studio 2017软件中，导入c-ZrO2单晶胞，原始晶胞晶格常数为a=b=c=0.5070nm，比实验值偏小，需要晶体结构优化；
（4）选用Masterial Studio 2017软件包中的CASTEP模块，进行结构优化，设置总能量收敛标准为1×10-5 eV/atom，内应力小于0.05Gpa，位移小于0.0001 nm，最大力场小于
0.03ev，优化后晶胞晶格常数为0.5118nm；
（5）将优化后的晶胞扩展制作为三个维度上的2*2*2的超晶胞，晶格常数为1.0236nm，模型图如图2；
（6）选择超晶胞中顶点和边线上2个Zr原子，替换为Y原子，选择另外边线上的2个Zr原子，替换为Nb原子，如图2建立掺杂复合体系的结构模型；
（7）将替换后的超晶胞结构再进行一次结构优化，结构优化的各个收敛标准不低于第一次结构优化的标准，如第一次优化设置，完全弛豫后超晶胞还是立方结构，晶格常数a=b=c=1.0257nm，如图2俯视图；
（8）对建立的超晶胞模型进行测试，使用粉末衍射模块，计算得出超晶胞的x-ray粉末衍射数据；
（9）对比计算得到的超晶胞与试验粉末衍射数据，验证是否完全重合；
（10）若计算数据与实验数据不重合，可以调整晶胞中原子的位置使二者图像数据重合；
（11）使用与试验相匹配的建立的超晶胞模型进行下一步的能量任务计算，在CASTEP模块中，选择计算任务为“energy”；选择平面波截止能为380eV；采用4×4×4的Monkhorst –pack的K网格点设置，加入自旋极化，选用广义梯度近似GGA中的PBE方案处理价电子之间的交换关联相互作用；
（12）对电子结构的能量计算选取合适的赝势，对于Y，Zr，Nb等过渡金属原子，超软赝势计算结果因未考虑d电子强关联相互作用，导致能带结构的禁带宽度偏低，我们选择模守恒赝势进行计算；
（13）O，Y，Zr，Nb元素的价电子分别取2s22p4，3d104d15s2 , 3d104d25s2，3d104d35s2 ；
（14）计算超晶胞模型的电子能带结构如图3；
（15）计算O，Y，Zr，Nb元素的电子分波态密度如图4；
（16）计算模型的差分电子密度分布如图5；
（17）计算模型光学吸收率如图6；
（18）计算模型光学反射率如图7；
（19）计算模型电导率如图8。
附图说明
图2为掺杂Y、Nb后超晶胞模型图；
图3为晶体模型的能带结构图；
图4为晶体模型中电子总态密度图；
图5-6为晶体模型中各元素电子分波态密度图；
图7为晶体模型中在100面电子差分密度图；
图8为晶体模型中在110面电子差分密度图；
图9晶体光学吸收谱线图；
图10晶体光学反射谱线图；
图11晶体光电导率谱图。
具体实施方式
（1）采集实验样品的x-ray衍射数据，将该数据信息文件通过通用数据端口传递给Masterial Studio 2017软件；
（2）在Masterial Studio 2017软件中，对实验数据进行精修处理分析，得到如图1图谱；
（3）在Masterial Studio 2017软件中，导入c-ZrO2单晶胞，原始晶胞晶格常数为a=b=c=0.5070nm，比实验值偏小，需要晶体结构优化；
（4）选用Masterial Studio 2017软件包中的CASTEP模块，进行结构优化，设置总能量收敛标准为1×10-5 eV/atom，内应力小于0.05Gpa，位移小于0.0001 nm，最大力场小于
0.03ev，优化后晶胞晶格常数为0.5118nm；
（5）将优化后的晶胞扩展制作为三个维度上的2*2*2的超晶胞，晶格常数为1.0236nm，模型图如图2
（6）选择超晶胞中顶点和边线上2个Zr原子，替换为Y原子，选择另外边线上的2个Zr原子，替换为Nb原子，如图2建立掺杂复合体系的结构模型；
（7）将替换后的超晶胞结构再进行一次结构优化，结构优化的各个收敛标准不低于第一次结构优化的标准，如第一次优化设置，完全弛豫后超晶胞还是立方结构，晶格常数a=b=c=1.0257nm，如图2俯视图；
（8）对建立的超晶胞模型进行测试，使用粉末衍射模块，计算得出超晶胞的x-ray粉末衍射数据；
（9）对比计算得到的超晶胞与试验粉末衍射数据，验证是否完全重合；
（10）若计算数据与实验数据不重合，可以调整晶胞中原子的位置使二者图像数据重合；
（11）使用与试验相匹配的建立的超晶胞模型进行下一步的能量任务计算，在CASTEP模块中，选择计算任务为“energy”；选择平面波截止能为380eV；采用4×4×4的Monkhorst –pack的K网格点设置，加入自旋极化，选用广义梯度近似GGA中的PBE方案处理价电子之间的交换关联相互作用；
（12）对电子结构的能量计算选取合适的赝势，对于Y，Zr，Nb等过渡金属原子，超软赝势计算结果因未考虑d电子强关联相互作用，导致能带结构的禁带宽度偏低，我们选择模守恒赝势进行计算；
（13）O，Y，Zr，Nb元素的价电子分别取2s22p4，3d104d15s2 , 3d104d25s2，3d104d35s2 ；
（14）计算超晶胞模型的电子能带结构如图3；
（15）计算O，Y，Zr，Nb元素的电子分波态密度如图4；
（16）计算模型的差分电子密度分布如图5；
（17）计算模型光学吸收率如图6；
（18）计算模型光学反射率如图7；
（19）计算模型电导率如图8。
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