[发明专利]基于晶体结构离散化表达的遍历搜索方法

说明书

本发明提出了在约束条件下产生有限可数的点阵结构集合的方法，约束条件包括但不限于空间群对称和尺寸限制。尺寸约束是指晶胞划分为精细网格的份数。空间群对称性要求将超晶包中的所有网格点划分为一组不可再分的威科夫(Wyckoff)位置点。本发明还给出了将唯一离散超晶胞表征分配给晶体结构的一种方法，包括：将晶体的点阵结构从化学成分分离。晶体点阵结构表示为不可约晶格点，威可夫点的集合；然后将该晶体点阵结构与所有许可的包含全部威可夫点的晶格结构数据库进行比较。如果该晶体点阵结构是数据库中最小尺寸晶格结构的子集，则找到该晶体点阵结构的唯一匹配的离散表征包括：空间群，超晶胞尺寸，以及其对应威可夫点的集合的占据状态。

技术领域

本发明涉及一种为晶体结构提供离散表征的方法，使得在合理约束条件下对晶体材料进行确定性遍历搜索成为可能。

版权声明

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背景

材料科学中的主要问题是寻找适合应用的材料及其经济有效的生产方法。材料以各种状态存在，如气体、液体、固体和等离子体。本发明中将范围限定为晶体材料。现代计算技术的进步，特别是基于密度泛函理论方法的进步，使得预测给定结构的材料性能够达到或接近化学精确度。但是，迄今为止还没有找到一种基于给定材料的一组性能来确定晶体的系统方法。在较小的程度上，最近许多研究团队试图从给定的化学成分预测结构，并取得了不同程度的成功。一个简单的策略是将问题转化为全局优化过程，其中要找到的结构是晶体机构空间中的最小值。在这些用于预测的方法中，比较突出的有USPEX方法，其采用第一性原理方法精确计算结构样品的能量学，并使用蒙特-卡罗方法来搜索晶体结构空间，例如，这个方法成功的找到MgSiO₃和纯Boron的以前未知的高压相。但是，在巨大多维度的晶体结构空间上使用这种随机搜索策略的计算成本非常高。此外，确保这种搜索全面性是具有挑战的，模拟可能像许多全局优化方法一样陷入局部极小。另一种可行的策略是在特定的合理约束条件下生成一个可以遍历的可数晶体结构空间。这些结构的能量学被用来选择材料最可能的结构。据我们所知，很少有人尝试使用这种策略，因为在化学成分的约束下，还没有开发出一套生成可以遍历的晶体结构空间的方法。尽管已有不少的尝试从已知的晶体相数据库中生成晶体结构样品集合，这样方法无法保证不遗漏一些合理约束下许可的晶体结构，比如说USPEX找的结构类型就不曾出现已知晶体结构库里。因此，在一定的约束条件下，如周期晶胞大小，开发一种可遍历的搜索策略是非常有必要的。

在下面的段落中定义了结构相关术语。在经典图像中，结构中的每一个原子在给定时间具有一个确定的位置。任一原子结构都可以描述为：

A→{R_i|O_i}    (1)

其中，A表示结构，R_i是第i个原子位置，O_i是第i个原子位置的占位变量。占位变量O_i是原子位置处原子分布的标签。例如，我们可以用原子序数作为占位变量，其中1代表氢，26代表铁，或者我们可以使用向量来表示具有10％空位，40％铁和50％铜的部分占位点。在没有约束条件和降维的情况下固体的结构空间中的直接搜索显然不利于计算，因为其自由度无限大。为使搜索在计算上可行，有必要采取各种措施来减少结构维度。幸运的是，对称性和原子相互作用可以被用于大幅减少结构描述中的自由度。

对于晶体和固溶体，所有原子位置的集合，或被称为晶格集合，可以用生成子和基元来描述：