[发明专利]一种电化学极化条件下二维材料理想强度的计算方法

说明书

本发明公开了一种电化学极化条件下二维材料理想强度的计算方法，属于二维材料技术领域。所述计算方法通过分析二维材料的旋转轴，将体系沿旋转轴旋转，保存旋转每一个角度后的结构，并对所述结构分别进行单轴和双轴拉伸，计算各个角度下的理想强度。通过高通量计算，建立二维材料在电化学极化条件下的理想强度数据库，并筛选出电化学极化条件下具有最高理想强度的二维材料。本发明方法包含构建电化学极化条件下的二维材料系统，实现了对任意方向上的理想强度计算，及运用高通量技术计算电化学极化条件下二维材料的理想强度；本发明方法能够更加精准的筛选具有优异的力学性能的二维材料，对新材料设计提供有利的帮助。

技术领域

本发明属于二维材料技术领域，具体涉及一种电化学极化条件下二维材料理想强度的计算方法。

背景技术

电化学极化(Electrochemical polarization)是电极极化中的一种。在外电场作用下，由于电化学作用相对于电子运动的迟缓性，改变了原有的电偶层而引起的电极电位变化，这种现象称之为电化学极化。在电流流出端的电极表面积累过量的电子，即电极电位趋负值，电流流入端则相反。通过调控电极表面净电荷密度可以有效调控电极表面的电化学势(electrochemical potential)。而在密度泛函理论计算中，为了模拟电化学极化，可以通过在体系中增加或者减少电子数目来调节电极电势，同时引入相同幅度但符号相反的背景电荷来维持体系的电中性，带电平板与背景电荷使电极表面的溶剂分子极化，即增加体系电子数可以模拟电流流出的体系，而减少体系电子数模拟电流流入的体系。经检索仅发现针对未极化的二维材料的理想强度的计算方法，[Q.Wei,X.H.Peng,Appl.Phys.Lett.104,251915(2014)；Z.H.Fu,Phys.Rev.B 2016,94,104103.]，迄今为止尚未有电化学极化条件下二维材料理想强度的计算方法。此外，人类科技发展的脚步往往囿于材料的性能，新材料的研发步伐严重滞后于产品的设计。如今，材料研究最前沿领域的重要方法论—材料基因组计划，从应用需求出发，通过高通量计算，可以减少实验成本，大幅度缩短新材料研发应用周期。高通量计算可以应用在筛选具有高的理想强度的二维材料。

发明内容

本发明公开了一种电化学极化条件下二维材料理想强度的计算方法，该所述计算方法包含了运用高通量技术计算二维材料分别在正、负电位下理想拉伸强度的方法，从而筛选出在电化学极化条件下力学性能最为优异的二维材料。

无缺陷材料(或完美晶体)在外力作用下结构失稳的最小应力值称为理想强度。在实际计算模拟过程中，要确定该值，首先要计算材料的应力-应变关系曲线。当应力达到最大值时，晶体结构开始失稳，对应的应力为理想强度，对应的应变称临界(或极限)应变；大于临界应变，材料将发生断裂。一般使用面内单轴应力状态与双轴等应变状态评估二维材料的机械性能。

在小变形理论中，分别用ε_x、ε_y、ε_z来表示x、y、z轴方向棱边的相对伸长度，即正应变。分别用γ_xy、γ_yz、γ_zx表示x和y、y和z、z和x轴之间的夹角变化，即切应变。这6个独立的分量精确地描述了物体变形后局部的几何性质。

要计算单轴应力状态下的应力-应变曲线，其核心思想是：在晶胞上沿某一方向施加一组递增的应变，而在垂直于该方向上完全驰豫，保持其他五个应变分量为零，直到Hellmann-Feynman应力小于0.1GPa。在得到能量-应变曲线后，求一阶导数便可得到应力-应变曲线。实现单轴拉伸的具体细节如下：

将上述的正应变和切应变用应变张量ε来表示为：

则形变前后基矢的关系为：

式中,和I分别表示应变前后基矢和单位矩阵。