[发明专利]一种计算过渡金属氧化物能带结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料电子结构的计算模拟技术，特别涉及一种计算过渡金属氧化物能带结构的方法。

背景技术

以ZnO为代表的过渡金属氧化物由于在光学、电学、磁学等方面表现出优异的性能而受到人们的广泛关注。材料的电子结构决定材料的各方面性能，对材料电子结构的研究可以很好的预测材料的性能。过渡金属氧化物中，由于3d电子之间的强关联效应的存在，准确地预测其物理化学性质，一直是物理学的难题之一。

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算被广泛应用于材料性能的计算模拟中，早期的DFT(GGA和LDA)计算表明，单纯的DFT方法计算出的过渡金属氧化物的带隙偏小，与实验值存在较大的差异，不能合理的解释材料的许多基本性质。随后，人们提出了DFT+U的方法对带隙进行修正(U是Hubbard量，即电子的库仑相互作用)，U值主要加在过渡金属的3d电子轨道，该方法虽然对物质的带隙有了一定的提高，但与实验值还有一定的差距，其主要原因是过渡金属氧化物中O的2p态位于价带顶，U值只是对过渡金属3d态的能量位置进行了修正，而对O-2p态的位置影响不大。如何准确的描述过渡金属氧化物的电子结构是目前理论研究的一个难点，它关系到能否合理的解释材料的基本性能以及对材料未知性能的准确预测。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明的目的主要是提供一种能准确计算过渡金属氧化物能带结构的方法。实现本发明的技术方案为：

一种计算过渡金属氧化物能带结构的方法，包括如下步骤：

1)建立晶体模型

查找参考文献，根据晶体所属的空间群、晶格常数，原子坐标建立晶体的结构模型。

2) 参数及结构优化

(a) 根据上述晶体的空间群、晶格常数、原子坐标建立Quantum-ESPRESSO软件的输入文件，用XCRYSDEN可视化软件查看所建结构正确与否。

(b) 利用PWGUI图形界面对输入文件的各参数进行设置，选取合适的赝势。

(c) 对截断能(ecutwfc)及K点(K_POINTS)参数进行收敛测试，选取合适的截断能和K点，并优化晶格参数。

3) 电子结构计算

(a) 电子的自洽计算：利用上述优化的晶格常数、截断能及K点等参数，设置lda_plus_u = .ture.用来衡量各元素的U值作用。对氧和过渡金属分别设定一定的U值，其中氧衡量的是2p电子相互作用，过渡金属衡量的是3d电子的相互作用。建好自洽输入文件，之后用pw.x执行自洽计算。

(b) 非自洽计算：该输入文件与自洽输入文件不同之处为calculation须设置为'bands'，同时设置nbnd用来设置计算能带的数目，设置K_POINTS高对称点以及之间的K点。其中高对称点的选取可借助于XCRYSDEN软件，之后用pw.x执行非自洽计算。

(c) 利用bands.x计算出k点及对应的本征值。

(d) 对得到的K点及本征值进行处理，可编程处理后用origin软件或用Quantum-ESPRESSO自带的plotband.x后处理程序进行绘图。

4) 重复步骤3，根据实验带隙的大小及3d态的能量位置寻找合适的U值，并做出其对应的能带结构图。

本发明利用密度泛函理论，同时考虑了氧2p电子及过渡金属3d电子的库仑相互作用，对过渡金属氧化物的能带结构进行了合理的修正，带隙的理论计算结果(3.389 eV)与实验值(3.37 eV)非常吻合,误差仅为0.56%，这为分析材料的磁学、电学及光学等性能提供了理论基础。

附图说明

图1为 ZnO结构示意图。

图2为GGA计算ZnO能带结构示意图。

图3为GGA+U_3d计算ZnO能带结构示意图。

图4为 GGA+U_3d+U_2p计算ZnO能带结构示意图。

具体实施方式

1. 建立晶体模型

根据ZnO的实验晶格常数a=3.25 Å,c=5.20 Å建立晶体模型，其中两个Zn原子的位置分别为(0.333,0.667,0.000)和(0.667,0.333,0.500), 两个O原子的位置分别为(0.333,0.667,0.383)和(0.667,0.333,0.883)，如附图1。

2. 参数及结构优化