[发明专利]一种描述材料晶体结构的方法及其应用

权利要求书

1.一种描述材料晶体结构的方法，其特征在于：

将晶体结构中的原子和/或结构基元作为点；

把原子和/或结构基元之间的连接作为边；

采用点、边以及点与边的相互关系描述晶体结构中的原子和/或结构基元之间的连接关系，从而实现材料晶体结构的描述；

所述采用点、边以及点与边的相互关系描述晶体结构中的原子和/或结构基元之间的连接关系，具体包括采用原子半径重叠方法判断连接关系，或者采用寻找最近邻原子方法判断连接关系；

所述采用原子半径重叠方法判断连接关系，具体包括以下步骤，

对于晶体结构中元素的配对成键判断提供一个键长参数作为距离的参考阈值，所述参考阈值为两个原子的半径之和；

对给定晶体结构进行扩胞操作，所述扩胞操作包括以给定的晶体结构为原始晶胞，以原始晶胞为基础单元，并将原始晶胞作为中心，在三维空间中连续复制若干次后堆积成超胞；

对超胞所包含的每个原子进行查找，每次以选定原子作为起点，依次计算选定原子和其他所有原子的距离，若该距离小于或等于参考阈值，则视作两个原子之间有连接关系；查找完成所有的原子，即构建获得超胞代表的晶体结构的原子之间的连接关系；

结构基元之间的连接关系通过结构基元之间是否有共用原子判断，如果有共用原子则两个结构基元之间有连接关系，如果没有共用原子则通过结构基元中的原子与其它结构基元中的原子之间的连接关系进行判断；

所述采用寻找最近邻原子方法判断连接关系，具体包括以下步骤，

对给定晶体结构进行扩胞操作，所述扩胞操作包括以给定的晶体结构为原始晶胞，以原始晶胞为基础单元，并将原始晶胞作为中心，在三维空间中连续复制若干次后堆积成超胞；

对超胞中原始晶胞的每个原子进行查找，每次选定原子之后，构建该选定原子的魏格纳-塞兹原胞，如果选定原子与某一原子连线的垂直平分面在最小的魏格纳-塞兹原胞表面，则选定原子与该原子有连接，查找完成所有的原子，即构建获得超胞代表的晶体结构的原子之间的连接关系；

结构基元之间的连接关系通过结构基元之间是否有共用原子判断，如果有共用原子则两个结构基元之间有连接关系，如果没有共用原子则通过结构基元中的原子与其它结构基元中的原子之间的连接关系进行判断；

还包括从每个原子或结构基元为中心出发向外扩展若干层，将向外扩张的晶体结构转变为一个有限大小的图，具体包括，构建图步骤和向外扩展点的层数判断步骤；

所述构建图的步骤包括，用点和边描述晶体结构中的连接关系，再将这些点和边构建为图；

所述向外扩展点的层数判断步骤包括，根据研究目标，设定构建的图的扩充层数，将层数以内的点和边，构建成一个有限大小的图。

2.一种发现材料晶体结构中的独立原子或独立结构基元的方法，其特征在于：包括采用权利要求1所述的方法对材料的晶体结构进行描述，以晶体结构中的每一个原子或结构基元作为起始点，从起始点出发，分别向外构建有限层数的图，然后分析这些图是否完全相同；所有不完全相同的图对应的起始点即为独立原子或独立结构基元。

3.一种材料晶体结构差异性分析的方法，其特征在于：包括采用权利要求1所述的方法对材料的晶体结构进行描述，将晶体结构构建为图，并利用所构建的图中点和边的差异性描述材料晶体结构的差异性。

4.一种二维材料研发的方法，其特征在于：包括采用权利要求1所述的方法对材料的晶体结构进行描述，将晶体结构构建为图，并利用所构建的图中的任意一点是否能通过边的连接在二维平面内扩展，而这些二维平面之间没有边的连接，判断晶体结构能否形成二维材料；如果是则晶体结构能形成二维材料，否则不能形成二维材料。

5.一种材料数据库，其特征在于：所述材料数据库中包含权利要求1所述的方法描述的材料晶体结构、权利要求2所述的方法获得的独立原子或独立结构基元信息、权利要求3所述的方法获得的材料晶体结构差异性分析信息，以及权利要求4所述的方法获得的二维材料研发信息中的至少一种。

6.一种基于机器学习的智能设计新材料的方法，其特征在于：包括采用权利要求1所述的方法对材料的晶体结构进行描述，使用权利要求5的数据库和机器学习方法找到所描述的晶体结构的特征与材料性能的相关性；根据所述相关性以及所需要的目标性能，得到具有目标性能的晶体结构特征，根据得到的晶体结构特征设计具有所需要的目标性能的新材料。