[发明专利]基于四价化合物异质结结构的多尺度仿真方法

说明书

本发明公开了一种基于四价化合物异质结结构的多尺度仿真算法，包括对四价化合物异质结材料原子层面的建模、材料特性计算等。本发明的主要步骤是：从原子层面对四价化合物异质结进行材料结构建模；分析实例材料空间异质结构，需要考虑范德瓦尔斯力在异质结构中的作用；利用第一性原理对异质结材料特性进行分析，从而得到能带、态密度等特性。本发明结合第一性原理、密度泛函理论、平面波和赝势理论、最大化局部瓦涅尔函数的系统级多尺度方法，对探究新型四价化合物异质结构二维材料的相关材料性能具有重要的意义。

技术领域

本发明涉及一种材料仿真方法，尤其涉及一种基于四价化合物异质结结构的多尺度仿真方法。

背景技术

二维材料已成为热门的前沿科技领域之一。二维材料通常是由一层或者几层原子组成薄膜，因此非常轻薄，并具有十分优异的电气、机械、热学、光学特性。新型二维材料自2004年石墨烯被发现以来，探寻其他新型二维晶体材料一直是二维材料研究领域的前沿。正如石墨烯一样，大尺寸高质量的其他二维晶体不仅对于探索二维极限下新的物理现象和性能非常重要，而且在电子、光电子等领域具有诸多新奇的应用。

目前二维材料多由四价化合物构成，但这种材料与普通的四价化合物晶体结构虽然非常相似，但是又有所区别，传统的晶体理论和仿真算法不能简单移植并应用在该结构的计算上。我们需要专门建立一个基于四价化合物异质结的多尺度仿真系统，对新型四价化合物异质结二维材料的材料特性进行探究。现有技术下，通常是将此异质结二维材料作为一个整体研究，对材料整体进行测试实验，并根据结果反推材料的重要属性，这种方案是一种估计设置，缺乏针对四价化合物异质结原子级材料特性的研究。而采用这种方案在得到目标材料的属性以后应用在器件上往往失效。主要原因可能是材料在应用到器件中后会因一系列的原子层面的相互作用而对其性质产生影响，不能将其仍然视为独立的体材料。即现有计算中缺乏考虑到范德瓦尔斯作用力的研究。因此，目前新型二维材料异质结构还处于探究阶段，针对四价化合物异质结运用到新型二维材料器件中的研究非常缺乏，而提出从原子层面进行计算的仿真方法对推进该问题的研究至关重要。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种多尺度仿真方法，能够结合密度泛函理论、平面波和赝势理论、最大化局部瓦涅尔函数，从原子级的层面对具有二维异质结构的四价化合物进行从头开始的仿真计算。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种基于四价化合物异质结结构的多尺度仿真方法，包括以下步骤：

(1)从原子层面构建四价化合物异质结原子模型；具体是将两个单层的二维四价化合物材料沿垂直于二维面的方向上下堆叠成一个两层的异质结结构。

(2)在原子模型中引入范德瓦尔斯力作为该异质结结构的空间约束；具体是根据实验测量所获得的原子间范德瓦尔斯力作为二维材料原子间以及层与层之间受范德华力影响所产生的效应参数。

(3)对异质结结构进行自洽迭代求解薛定谔方程，通过迟豫迭代优化，在范德瓦尔斯力的作用下层间距会收敛至异质结结构能量最低；其中所述的薛定谔方程构造包括以下过程：

(31)通过体系分子轨道波函数构造单个斯莱特行列式，表示多电子体系波函数，并用此波函数得到体系的势函数；

(32)由体系中所有原子轨道波函数经过线性组合得到分子轨道波函数：

(33)通过变分法将体系的多电子薛定谔方程转化为单电子薛定谔方程用于后续的自洽迭代求解：

f₍₁₎χ_a(1)＝ε_a(1)χ_a(1)

其中f₍₁₎为福克算符，χ_a(1)为体系的分子轨道波函数，ε_α是χ_a(1)分子轨道的轨道能。