一种二维异质结材料的极限抗拉强度预测方法

专利名称：一种二维异质结材料的极限抗拉强度预测方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111545938.8

专利申请（专利权）人：福州大学
权利人地址：福建省福州市闽侯县福州大学城乌龙江北大道2号福州大学

专利发明（设计）人：吴波,何智汉,赵艳,张隆昆

专利摘要：本发明涉及一种二维异质结材料的极限抗拉强度预测方法。包括：从数据库中选取构建范德瓦尔斯异质结的单组分二维材料，基于密度泛函理论，对单组分二维材料的晶体结构进行分析，将模型驰豫优化至体系总能最低态；利用优化后的单组分二维材料构建范德瓦尔斯异质结模型，根据两种单组分二维材料的不同相对位置获得多种堆垛结构；对异质结的不同堆垛结构构型进行体系总能计算，选取体系总能最低结构；对非正交晶型的异质结进行晶型转换，获得正交结构模型；计算单轴应变条件下体系的等效应力；根据不同程度应变获得的数据处理后绘制单轴应力应变曲线，预测其极限应变性能。本发明能够有效预测二维材料的极限拉伸或压缩强度。

主权利要求：
1.一种二维异质结材料的极限抗拉强度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、基于晶体结构数据，筛选出可能进行二维异质结组装的单组分二维材料，进而基于密度泛函理论，对单组分二维材料的晶体结构进行弛豫，将模型驰豫优化至体系总能最低态，获得平衡结构，即优化后的单组分二维材料；
步骤S2、利用优化后的单组分二维材料构建范德瓦尔斯异质结模型，根据堆叠两种单层的不同相对位置，构建出六种典型相对位置，建立出相应的6种堆垛结构的异质结模型；
步骤S3、对步骤S2中的6种堆垛结构的异质结模型，分别进行体系总能计算，筛选出体系总能最低结构；
步骤S4、对非正交晶型的异质结模型进行晶型转换，获得正交结构模型；
步骤S5、计算在不同应变幅度值下的异质结模型的单轴应变时体系的等效应力；
步骤S6、对获得的数据进行绘图，获得单轴应力应变曲线，预测其极限拉伸应变性能；
所述步骤S1、S3、S5中的计算基于密度泛函理论的第一性原理方法，运用VASP软件包获得不同应变幅度下对应的应力数据；
异质结模型的构建是通过固定其中一个单组分二维材料，旋转另一单组分二维材料，从而获得不同堆垛结构的异质结模型；
所述非正交晶型的异质结模型经过4×4×1超胞，以便于选取其正交晶胞结构；在非正交晶型的异质结模型的周期性结构中标记截取正交晶胞所需的原子，删除超胞结构中的多余原子，获得正交晶胞中的原子坐标；根据截取正交晶胞时的原子间距离作为晶格参数，在Z方向上设置一定厚度的真空层，防止周期性结构对异质结模型产生影响；
运用VASP软件包进行形变模拟计算，指定一方向上，施加一系列不同的应变幅度，对另外两个方向进行结构弛豫；
运用VASP软件包进行形变模拟计算，需对X、Y和Z全方向结构弛豫的VASP软件包进行重新编译，具体通过编译constr_cell_relax.F文件实现，结构弛豫时，需提供一个控制标签文件OPTCELL，对预设应变幅值方向和待弛豫方向进行指定；
运用VASP软件包进行形变模拟计算直接使用时，只适用于高对称性体系的正交晶型，对于其他晶型，需进行晶型转换；
步骤S5中，通过修改正交结构模型的异质结模型的晶格参数，模拟修改参数所在方向的极限拉伸；
步骤S5中，通过对X、Y方向中，一个方向施加一系列正的应变幅值，计算获得对应的应力数据，即可计算出拉伸性能；
步骤S5中，通过对X、Y方向中，一个方向施加一系列负的应变幅值，计算获得对应的应力数据，即可延伸计算出单轴压缩性能。 说明书 : 一种二维异质结材料的极限抗拉强度预测方法技术领域[0001] 本发明涉及柔性材料设计技术领域，具体涉及一种二维异质结材料的极限抗拉强度预测方法。背景技术[0002] 随着石墨烯和类石墨烯纳米材料的发现，二维纳米材料因具有较大的横向面积，表现出了与三维材料不同寻常的物理，化学和光电性能，使其在新能源、光电和光催化应用领域表现出诱人前景。二维异质结纳米材料和其组成的单组分相比，可取长补短，协调发挥其各自的优异性能，如由各向异性材料变为各向同性材料，储锂容量增加，光催化响应宽域化。目前，市场对新能源材料、光电子材料和光催化材料需求迫切，对于柔韧、便携和可穿戴电子设备和的需求越来越大。利用理论计算方法预测材料的极限拉伸或压缩性能对于材料的研发具有参考意义，可加快新型纳米材料的研发进程。尽管实验上已能实现纳米材料的力学性能微纳测试，但测试成本高，准确度低，而材料的抗拉强度理论预测方法鲜有详细的论文或专利报道，本发明以期提供一种异质结纳米材料的力学性能预测方法，为纳米材料结构设计和性能筛选提供参考。发明内容[0003] 本发明的目的在于提供一种二维异质结材料的极限抗拉强度预测方法，有效的预测二维范德华异质结材料的极限拉伸强度，为筛选具有优异形变性能的材料提供参考，有益于快速准确的获得具有优异力学性能的材料。[0004] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种二维异质结材料的极限抗拉强度预测方法，包括以下步骤：[0005] 步骤S1、通过文献调研或计算机模拟预研，基于晶体结构数据，筛选出可能进行二维异质结组装的单组分二维材料，进而基于密度泛函理论，对单组分二维材料的晶体结构进行弛豫，将模型驰豫优化至体系总能最低态，获得平衡结构，即优化后的单组分二维材料；[0006] 步骤S2、利用优化后的单组分二维材料构建范德瓦尔斯异质结模型，根据堆叠两种单层的不同相对位置，构建出六种典型相对位置，建立出相应的6种堆垛结构的异质结模型；[0007] 步骤S3、对步骤S2中的6种堆垛结构的异质结模型，分别进行体系总能计算，筛选出体系总能最低结构；[0008] 步骤S4、对非正交晶型的异质结模型进行晶型转换，获得正交结构模型；[0009] 步骤S5、计算在不同应变幅度值下的异质结模型的单轴应变时体系的等效应力；[0010] 步骤S6、对获得的数据进行绘图，获得单轴应力应变曲线，预测其极限拉伸应变性能。[0011] 在本发明一实施例中，所述步骤S1、S3、S5中的计算基于密度泛函理论的第一性原理方法，运用VASP软件包获得不同应变幅度下对应的应力数据。[0012] 在本发明一实施例中，异质结模型的构建是通过固定其中一个单组分二维材料，旋转另一单组分二维材料，从而获得不同堆垛结构的异质结模型。[0013] 在本发明一实施例中，所述非正交晶型的异质结模型经过4×4×1超胞，以便于选取其正交晶胞结构；在非正交晶型的异质结模型的周期性结构中标记截取正交晶胞所需的原子，删除超胞结构中的多余原子，获得正交晶胞中的原子坐标；根据截取正交晶胞时的原子间距离作为晶格参数，在Z方向上设置一定厚度的真空层，防止周期性结构对异质结模型产生影响。[0014] 在本发明一实施例中，运用VASP软件包进行形变模拟计算，指定一方向上，如Z方向，施加一系列不同的应变幅度，对另外两个方向（X和Y方向）进行结构弛豫。[0015] 在本发明一实施例中，运用VASP软件包进行形变模拟计算，需对X、Y和Z全方向结构弛豫的VASP软件包进行重新编译，具体通过编译constr_cell_relax.F文件实现，结构弛豫时，需提供一个控制标签文件OPTCELL，对预设应变幅值方向和待弛豫方向进行指定，例如，OPTCELL文件内容为011时，表示沿X轴方向施加指定应变量后，对Y和Z方向进行弛豫，其他设置模式以此类推。[0016] 在本发明一实施例中，运用VASP软件包进行形变模拟计算直接使用时，只适用于高对称性体系的正交晶型，对于其他晶型，需进行晶型转换。[0017] 在本发明一实施例中，步骤S5中，通过修改正交结构模型的异质结模型的晶格参数（如X轴方向施加应力，修改a值，b、c值不变），模拟修改参数所在方向的极限拉伸。[0018] 在本发明一实施例中，步骤S5中，通过对X、Y方向中，一个方向施加一系列正的应变幅值，计算获得对应的应力数据，即可计算出拉伸性能。[0019] 在本发明一实施例中，步骤S5中，通过对X、Y方向中，一个方向施加一系列负的应变幅值，计算获得对应的应力数据，即可计算出单轴压缩性能。[0020] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明能够有效的预测范德瓦尔斯异质结二维纳米材料的极限抗拉强度，为柔性材料研发提供一种理论预测方法，快速准确的筛选具有优异力学性能的材料。附图说明[0021] 图1是本发明方法流程简介图；[0022] 图2是本发明实施例Ti2CO2/MoS2异质结的六种堆垛构型；[0023] 图3是本发明实施例六种堆垛构型体系总能对比图；[0024] 图4是实施例中六方晶型转换成正交晶型的示意图；[0025] 图5是实施例中沿锯齿形方向的单轴应力—应变曲线；[0026] 图6是实施例中沿扶手型方向的单轴应力—应变曲线。具体实施方式[0027] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。[0028] 如图1所示，本发明一种二维异质结材料的极限抗拉强度预测方法，具体包括以下步骤：[0029] 步骤S1、通过文献调研或计算机模拟预研，基于晶体结构数据，筛选出可能进行二维异质结组装的单组分二维材料，进而基于密度泛函理论，对单组分二维材料的晶体结构进行弛豫，将模型驰豫优化至体系总能最低态，获得平衡结构，即优化后的单组分二维材料；[0030] 步骤S2、利用优化后的单组分二维材料构建范德瓦尔斯异质结模型，根据堆叠两种单层的不同相对位置，构建出六种典型相对位置，建立出相应的6种堆垛结构的异质结模型；[0031] 步骤S3、对步骤S2中的6种堆垛结构的异质结模型，分别进行体系总能计算，筛选出体系总能最低结构；[0032] 步骤S4、对非正交晶型的异质结模型进行晶型转换，获得正交结构模型；[0033] 步骤S5、计算在不同应变幅度值下的异质结模型的单轴应变时体系的等效应力；[0034] 步骤S6、对获得的数据进行绘图，获得单轴应力应变曲线，预测其极限拉伸应变性能。[0035] 在本实施例中，具体的：[0036] 步骤S1、选择Ti2CO2和MoS2二维单组分二维材料构建范德瓦尔斯异质结，这两种单组分二维材料的空间群均为P63/mmc，属于类石墨烯六方结构。其中，Ti2CO2属于新发现的MXene家族材料，由其母相MAX相Ti2Al2C中剔除Al原子，再添加O原子官能团获得。[0037] 步骤S2、因Ti2CO2和MoS2的晶格参数相近，不需要对单层进行超胞，可直接构建异质结构。不同堆垛结构的构建是通过固定MXene层，旋转转动MoS2层。旋转中心点为Ti2CO2的两个Ti原子。具体方法在Type‑a的基础上以MoS2层绕Ti1原子顺时针旋转60°得到Type‑b，在Type‑b的基础上绕Ti2逆时针旋转60°得到Type‑c，以此类推总共旋转五次，得到六种堆垛结构（如图2所示）。[0038] 步骤S3、使用VASP软件包对六个异质结进行结构优化和静态自洽计算，通过比较六个异质结的相对体系总能Ei（如图3所示），体系总能相对低的结构Type‑a为最稳定堆垛结构，以此结构进行后续的计算。[0039] 步骤S4、对已优化Type‑a结构进行4×4×1超胞，以图4所示截取正交结构晶胞。[0040] 步骤S5、对正交结构进行弛豫优化。对优化结构分别在X，Y方向上施加应变，导致的晶格应变(ε)定义为晶格常数的变化量(∆α)与晶格常数(α)之比(即ε= ∆α/α)，这一过程是通过直接改变其晶格常数实现的。加应力后对晶胞内的所有原子也进行了同样标准的完全弛豫。对X方向施加应力时，OPTCELL内容为011，表示X轴不优化，只优化Y和Z轴。对Y方向施加应力时，OPTCELL内容为101，表示Y轴不优化，只优化X和Z轴。计算结束后在OUTCAR中输出“inkB”等效应力，数据处理后得到应力应变曲线。因为研究对象为纳米异质结二维材料，Z方向有设置真空层，故步骤S1和步骤S3中对Z方向进行结构优化意义不大，，计算时，OPTCELL文件Z方向赋值设置为0。但在步骤S5中进行施加X或Y方向的单轴或双轴应变时，二维异质结在Z方向的厚度会发生一定的变化，故步骤S5中，计算时，OPTCELL文件Z方向赋值设置为1。[0041] 实施例：[0042] 本实施例中，Ti2CO2的晶格常数为3.12Å，MoS2的晶格常数为3.18Å，其晶格错配率为1.9%，极低的错配度符合有效形核的标准。MoS2是过渡金属硫化物中的典型材料，具有极佳的带隙值和直接带隙特性，已能够实验合成，在光催化、锂离子电池、光电探测器和电子器件有很好的前景。Ti2CO2是新型二维材料过渡金属碳氮化物(MXene)中的代表，可调控的官能团给予了MXene材料无限的可能，在储能领域具有广大的应用潜力。[0043] Ti2CO2/MoS2异质结的POSCAR元素组成为Ti:C:O:M:S=2:1:2:1:2。Ti2CO2/MoS2异质结的体系总能为‑53.6539eV,结合能为‑8.11meV,负的结合能说明改异质结的形成是释放体系总能，能够稳定存在。[0044] 对Ti2CO2/MoS2异质结的六种堆垛结构进行优化计算，其a‑f型的总能分别为‑214.6401eV，‑214.6252eV，‑214.4226eV，‑214.4298eV，‑214.6257eV及‑214.6098eV。可以看出，构型a的总能最低，相对来说是最稳定的结构，故选择构型a做后续计算。[0045] 以应变步长为1%，分别批量计算0～30%应变范围下X和Y方向的应力，获得应力—应变曲线。结果分析表明，Ti2CO2/MoS2异质结的在X(锯齿型方向)的极限应变在27%左右，在Y(扶手型方向)的极限应变在22%左右。因此，该异质结在X和Y方向上的极限抗拉强度趋近，有各向同性的特点，具有较好的柔性。[0046] 图5是实施例中沿锯齿形方向的单轴应力—应变曲线，图6是实施例中沿扶手型方向的单轴应力—应变曲线。[0047] 以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

专利地区：福建

专利申请日期：2021-12-17

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN114171141B