本發(fā)明涉及材料技術(shù)，具體是一種等摩爾比尖晶石型高熵氧化物形成能的篩選方法。

背景技術(shù)：

1、尖晶石(ab2o4，spinel)結(jié)構(gòu)可以允許許多不同的陽(yáng)離子穩(wěn)定地混溶，具有較高的陽(yáng)離子多樣性。這種多樣性使得尖晶石這種結(jié)構(gòu)具有可擴(kuò)展的化學(xué)變異性，繼而在功能設(shè)計(jì)上提供了很大的的靈活性；高熵氧化物(heos)具有較高的熱穩(wěn)定性、穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的幾何相容性和電子結(jié)構(gòu)等特性，兩者都引起了科技人員相當(dāng)大的科學(xué)興趣，尖晶石型高熵氧化物(sp-heos)既是尖晶石構(gòu)型，又是高熵的一種單相固溶物，易通過(guò)調(diào)整成分的類(lèi)型和分?jǐn)?shù)來(lái)創(chuàng)造許多新的相，為開(kāi)發(fā)具有新的技術(shù)相關(guān)性能的新材料提供新策略。

2、但是，目前，各大數(shù)據(jù)庫(kù)中有第一性原理計(jì)算尖晶石型二元氧化物的各項(xiàng)性質(zhì)，但是幾乎沒(méi)有可以用的應(yīng)用于高熵氧化物的從頭算焓凸包的數(shù)據(jù)，某些元素組成的六元高熵氧化物的形成能來(lái)篩選其組合下的尖晶石型高熵氧化物是否可以穩(wěn)定地存在不確定，何種元素占據(jù)a位點(diǎn)、何種元素占據(jù)b位點(diǎn)對(duì)尖晶石型高熵氧化物是否有利于穩(wěn)定地存在不確定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種等摩爾比尖晶石型高熵氧化物形成能的篩選方法。這種方法能估計(jì)六元高熵尖晶石的形成能，而且能免計(jì)算六元大晶胞的第一性原理巨大的計(jì)算代價(jià)，能快速篩選出，哪些元素占據(jù)a位點(diǎn)、b位點(diǎn)有利于尖晶石型高熵氧化物穩(wěn)定地存在；篩選出哪些元素組合可以穩(wěn)定地存在。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：

3、一種等摩爾比尖晶石型高熵氧化物形成能的篩選方法，包括如下步驟：

4、1)獲取基底晶體信息：從materials?project晶體數(shù)據(jù)庫(kù)下載關(guān)于二元尖晶石型feco2o4晶體結(jié)構(gòu)文件，得到關(guān)于{ab2o4}尖晶石型的原子排布規(guī)律信息即cubic晶系中的pd-3m晶體空間群的原子排布信息；

5、2)獲取基底晶體的空間坐標(biāo)：基于晶體數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取到的晶體結(jié)構(gòu)文件，依據(jù)vaspkit插件對(duì)所獲取的一種的二元晶體結(jié)構(gòu)的cif文件，獲取尖晶石型的原子坐標(biāo)—fe、co、o元素在晶格中的具體三位坐標(biāo)，以基底feco2o4晶體為例,就是8個(gè)fe原子的晶格坐標(biāo)，16個(gè)co原子的晶格坐標(biāo)，以及32個(gè)氧原子的晶格坐標(biāo)，一共56個(gè)原子的晶格坐標(biāo)，再轉(zhuǎn)為vasp文件格式的poscar文件；

6、3)制作全組合的poscar文件：枚舉所有可能的組合來(lái)替換基底feco2o4結(jié)構(gòu)中二元金屬原子即fe原子、co原子來(lái)制作全排組合的poscar晶體結(jié)構(gòu)信息文件，其中a、b元素的范圍來(lái)自于：{mg、al、ca、sc、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、ga、ge、sr、y、zr、nb、mo、tc、ru、rh、pd、ag、cd、in、sn、ba、hf、ta、w、re、os、ir、pt、au、hg、tl、pb、bi}；

7、4)制作對(duì)應(yīng)potcar：基于步驟3)中的poscar晶體結(jié)構(gòu)信息文件，制作每一種組合對(duì)應(yīng)的potcar贗勢(shì)文件，贗勢(shì)采用自投影綴加平面波方法paw_pbe；

8、5)高通量第一性原理計(jì)算：用vasp軟件對(duì)二元尖晶石全組和中每一種組合中的所有輸入文件高通量地做第一性原理計(jì)算中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得每種組合的系統(tǒng)總能量達(dá)到最低的平衡狀態(tài)；

9、6)計(jì)算單原子平均形成能：將每個(gè)二元尖晶石的第一性原理計(jì)算結(jié)果文件之一的oszicar文件中基態(tài)能量e0提取出，再根據(jù)公式：

10、

11、計(jì)算單個(gè)原子的在尖晶石晶胞中中的平均形成能ef，其中ea、eb、eo2分別表示為單個(gè)a位點(diǎn)原子、單個(gè)b位點(diǎn)原子和氧分子的基態(tài)總能，na、nb和no2分別為晶胞中a位點(diǎn)原子、b位點(diǎn)原子和氧原子個(gè)數(shù)；n為晶胞中的的原子總數(shù)，

12、以基底feco2o4晶體為例，feco2o4的單原子平均形成能為：

13、

14、從而輪換對(duì)稱(chēng)地有cofe2o4晶體則有：

15、

16、以此類(lèi)推，計(jì)算得到每種組合下的平均總能量；

17、7)單原子平均形成能數(shù)表：根據(jù)單原子平均形成能制作原子對(duì)原子的形成能數(shù)值表，當(dāng)計(jì)算基底feco2o4以及對(duì)稱(chēng)組合cofe2o4晶體時(shí)候，則選取數(shù)表中fe行co列的數(shù)值為-1.0386125，然后對(duì)稱(chēng)co行fe列的值為-1.036905714，依此類(lèi)推，制作得到原子對(duì)原子的數(shù)值表，又由于六元尖晶石高熵氧化物可從多種二元尖晶石一步相變?nèi)诤系玫?，反?yīng)前后形成能不變的性質(zhì)，所以用二元原子對(duì)原子的形成能數(shù)值表的線性組合來(lái)外推六元高熵尖晶石氧化物的形成能；

18、8)外推六元尖晶石形成能：選取兩個(gè)金屬在a位點(diǎn)，選定四個(gè)金屬在b位點(diǎn)，然后在步驟7)的得到數(shù)表找到所對(duì)應(yīng)的8個(gè)格子，求和，然后平均后記為eavg8，然后這六個(gè)金屬元素所在36個(gè)格子的平均值記為eavg36，記δh＝eavg8-eavg36，若δh<0,那么這種選法擁有更低的形成能，以cu、ni、al、cr、fe、co六種元素為例：考慮(cu4ni4)1[al2cr2fe2co2]2o32此組成時(shí)，那么對(duì)應(yīng)8個(gè)格子分別為：cu行al列、cu行cr列、cu行fe列、cu行co列、ni行al列、ni行cr列、ni行fe列、ni行co列，行優(yōu)先表示a位點(diǎn)占據(jù)元素，(cu4ni4)1[al2cr2fe2co2]2o32的形成能即用以上8個(gè)格子的平均值eavg8表示；再考慮到更多元素占據(jù)a位點(diǎn)時(shí)，考慮[cu6ni6al6cr6fe6co6]2(cu6ni6al6cr6fe6co6)o36——兩者分子式通式都是等摩爾比尖晶石氧化物，都是cu0.5ni0.5al0.5cr0.5fe0.5co0.5o——所對(duì)應(yīng)36個(gè)格子則是：cu行cu列、cu行ni列……cu行co列，ni行cu列、ni行ni列……ni行co列，al行……，cr行……，fe行……，co行……，以上共36個(gè)格子的平均值即是eavg36，表示[cu6ni6al6cr6fe6co6]2(cu6ni6al6cr6fe6co6)o36的形成能；

19、9)聚類(lèi)分析：根據(jù)δh來(lái)做機(jī)器學(xué)習(xí)的聚類(lèi)分類(lèi)，采用python中skitlearn庫(kù)中的cluster.kmeans函數(shù)對(duì)所有元素集合進(jìn)行分塊篩選。

20、本技術(shù)方案采用第一性原理計(jì)算二元尖晶石的形成能外推六元尖晶石的形成能，可以大致地估計(jì)六元高熵尖晶石的形成能，而且避免了計(jì)算六元大晶胞的第一性原理巨大的計(jì)算代價(jià)。在此基礎(chǔ)上可以快速篩選出，哪些元素占據(jù)a位點(diǎn)、b位點(diǎn)有利于尖晶石型高熵氧化物穩(wěn)定地存在；篩選出哪些元素組合可以穩(wěn)定地存在，外推法用二元數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)推測(cè)在數(shù)據(jù)范圍之外的六元數(shù)值，假設(shè)已知的二元局部的相可以周期性地延拓到區(qū)域，實(shí)際上并不能精準(zhǔn)地描述六元高熵氧化物中多個(gè)陽(yáng)離子隨機(jī)分布，沒(méi)有考慮到六元高熵氧化物的晶格畸變對(duì)形成能影響。但是作為元素占據(jù)a、b位點(diǎn)的篩選方法，用外推法的趨勢(shì)來(lái)概括卻足夠。

21、這種方法能估計(jì)六元高熵尖晶石的形成能，而且能免計(jì)算六元大晶胞的第一性原理巨大的計(jì)算代價(jià)，能快速篩選出，哪些元素占據(jù)a位點(diǎn)、b位點(diǎn)有利于尖晶石型高熵氧化物穩(wěn)定地存在；篩選出哪些元素組合可以穩(wěn)定地存在。