[发明专利]一种理论与实验结合的钙钛矿材料晶体结构优选方法

说明书

本发明公开了一种理论与实验结合的钙钛矿材料晶体结构优选方法，该方法为：首先，参照MAPbBr₃结构，采用CALYPSO方法寻找到MAPbBr_3‑x(BF₄)_x稳定的晶体结构，然后，按照寻找到的MAPbBr_3‑x(BF₄)_x稳定晶体结构，确定PbBr₂和MABF₄的比例，将PbBr₂粉末和MABF₄粉末按照不同比例掺杂混合，制备不同结构MAPbBr_3‑x(BF₄)_x屏蔽材料，最后，对得到的不同结构屏蔽材料进行性能评价，找到最优性能的MAPbBr_3‑x(BF₄)_x晶体结构及屏蔽材料，此方法通过引入空间群对结构产生的限制，有效减少搜索空间自由度，增加结构种群的多样性；引入成键特征矩阵，实现对结构的指纹表征，排除相似结构，引入基于粒子群优化算法的结构演化方法高效探索势能面，大大提高了最优性能的晶体结构的优化难度，节约工作量，工作准确度大大提升。

技术领域

本发明涉及γ射线和中子综合屏蔽性能的材料开发技术领域，具体涉及一种理论与实验 结合的钙钛矿材料晶体结构优选方法。

背景技术

随着原子能科学的不断发展，核能及放射性核素的应用日趋广泛，核反应过程中产生的 高能射线粒子也引起了人们愈发强烈的关注。在这些高能射线粒子中，γ射线和中子对人类 的影响最大，其应用也最广泛。无论是γ射线还是中子，单一射线都已经实现了有效的屏蔽。 而在γ射线和中子共生的混合复杂环境中，单一射线屏蔽材料，尚无法实现对中子和γ射线 的综合屏蔽。因而，设计开发具有优异的γ射线和中子综合屏蔽性能的材料，成为研究的热 点。

综合屏蔽γ射线和中子的材料，一方面要富含高原子序数元素，作为γ射线吸收体，另 一方面，还要富含中子吸收截面高的低原子序数元素。而且，高原子序数元素和低原子序数 元素还要实现均匀分布，保证屏蔽材料的均一性和屏蔽稳定性。在有机无机杂化钙钛矿单晶 材料在光电领域迅速发展的同时，在辐照屏蔽领域的研究也有所发展。在钙钛矿材料富含高 原子序数元素Pb的基础上，为制备综合屏蔽γ射线和中子的材料，还要对钙钛矿材料进行低 原子序数元素掺杂改性，以保证改性材料具备足够高的中子吸收截面。B原子的中子吸收截 面高、俘获能谱宽，因而被广泛用于改善材料的中子吸收性能。由于氟硼酸根(BF₄^-,0.218nm) 的离子半径与I^-(0.220nm)接近，在已经获得钙钛矿单晶及薄膜材料的基础上，研究者利用BF₄^-对I^-进行取代，合成了(C₄H₉NH₃₎₂Pb(BF₄)₄，显著提升了B元素的面密度，为开发高性能的中 子吸收材料提供了可能。

凭借稳定的晶体结构、易于掺杂改性、良好的化学均匀性和耐辐照稳定性等优势，钙钛 矿结构是设计新型的宽能区中子和γ射线吸收体材料的优异载体。以钙钛矿结构为框架，将 高Z值元素和低Z值元素均匀稳定的固定在钙钛矿结构中，利用高Z值元素吸收γ射线和低 Z值元素吸收中子的特性，可以获得宽能谱吸收的中子和γ射线综合吸收性能优异的吸收体 材料。如何调控高低Z值元素的辐射吸收效应，设计并合成稳定的结构均匀可控的钙钛矿结 构材料，成为开发综合吸收宽能区中子和γ射线材料的关键。