[发明专利]一种预测高压下Sr、Ba、La、Er掺杂c-ZrO2的光电特性方法

摘要

本发明公开了一种预测高压下Sr、Ba、La、Er掺杂c‑ZrO2的光电特性方法，首先使用ZrO2实验样品经过粉碎成1~10000nm的粉末后，使用x射线粉末衍射得到衍射谱线，对衍射谱线进行精修、分析得到晶胞的原始数据，建立粗糙模型，再通过第一性原理计算构建稳定的晶体模型，并对其能带结构、分波态密度、光学特性在不同压力下进行计算，可以从得到的数据或谱线中预测材料在高压下的结构稳定性，电子激发和跃迁特性，显色和受激发光等特性，对高压下工作的存储器件、耐火、核材料、传感材料的设计提供理论指导，解决目前实验手段到达不了的原子尺度的精度问题，解决目前实验环境难以实现的压力问题。

主权项

1.一种预测高压下Sr、Ba、La、Er掺杂c‑ZrO2的光电特性方法，其特征在于：首先使用ZrO2实验样品经过粉碎成1~10000nm的粉末后，使用x射线粉末衍射得到衍射谱线，对衍射谱线进行精修、分析得到晶胞的原始数据，建立粗糙模型，再通过第一性原理计算构建稳定的晶体模型，并对其能带结构、分波态密度、光学特性在不同压力下进行计算，可以从得到的数据或谱线中预测材料在高压下的结构稳定性，电子激发和跃迁特性，显色和受激发光等特性，对高压下工作的存储器件、耐火、核材料、传感材料的设计提供理论指导；其步骤包括生成样品、拟合xrd衍射图谱生成、测试高压稳定性、计算单点能：步骤一：生成样品，取摩尔百分比0~16%SrO、0~16%BaO、0~3.2%La2O3、0~3.2%Er2O3，61.6%~100%ZrO2粉末混合，经过球磨，溶解，烘干，并于2500左右摄氏度高温下缓慢长成晶体；将晶体破碎，研磨成1~10000nm粗细的粉末，粉末样品进行x‑ray射线衍射；步骤二：拟合xrd衍射图谱生成；①采集实验样品的x‑ray衍射数据，将该数据信息文件通过通用数据端口传递给Masterial Studio软件；在Masterial Studio软件中，选用reflex tools模块，对实验数据进行除背景，平滑处理；②使用powder index功能进行主峰标定，参数可以取系统默认值；③导入c‑ZrO2单晶胞模型，原始晶胞晶格常数为a=b=c=0.5090nm；此晶胞模型需要密度泛函理论进行结构优化，选用Masterial Studio软件包中的CASTEP模块，进行结构优化；④选用广义梯度近似GGA方法，交换关联函数选用PBE，设置总能量最低收敛标准为1×10‑5 eV/atom，内应力小于0.05Gpa，位移小于0.0001 nm，最大力场小于0.03ev，优化后晶胞晶格常数为0.512nm，其模型图如图2所示；⑤使用优化后的晶胞作为基础晶胞，根据掺杂比例扩展晶胞，在晶胞中按原子比例算，对应实验掺杂量为摩尔百分比，其具体算法在n个晶胞中掺杂Sr、Ba、La、Er原子分别x，y，z，k个时，其晶胞中的氧原子个数为8n‑x‑y‑0.5(z+k)，对应的掺杂量的摩尔百分比为x/(4n‑x‑y‑0.5z‑0.5k)，y/(4n‑x‑y‑0.5z‑0.5k)，z/2(4n‑x‑y‑0.5z‑0.5k)，k/2(4n‑x‑y‑0.5z‑0.5k)；⑥若建模是在2*2*2的c‑ZrO2晶胞中掺杂Sr、Ba、La、Er各1个，模型中应产生3个氧原子空位，对应的实验样品取的SrO、BaO、La2O3、Er2O3、ZrO2含量摩尔百分比分别为3.2%，3.2%，1.6%，1.6%，90.4%；实施掺杂，使用晶胞基础模型，根据需求的掺杂量多少扩展晶胞，按步骤9)中算法计算出应替换的掺杂原子个数，使用掺杂原子替换掉相应的Zr原子，制造出相应的氧空位个数，进行结构优化充分弛豫掺杂后的超晶胞；⑦保存优化好的超晶胞，以此超胞模型作为粉末衍射谱线的计算值；⑧使用Powder Diffraction功能对超晶胞进行x‑ray粉末衍射模拟计算，控制显示差分，背景等参数方便将实验数据与计算值对比，二者数据经过Pawly或Rietveld精修多次后、拟合因子Rw控制在8%以下即可以进行下一步；适当情况时可以根据实验谱线和计算谱线的差别，小幅度动态调整超晶胞中的某个原子位置以促使二者谱线能够很好的拟合，得到最终与实验值拟合较好的xrd衍射图谱如图1，并由此最终通过Powder Solve得到晶胞的晶格参数；⑨得到的晶胞参数与优化后的c‑ZrO2单晶胞参数值应该是非常接近的，差别大于0.02nm应该继续精修优化直到接近为止；在实施案例中我们最终得到的是晶格常数为a=b=c=1.0229nm面心立方框架，后面的计算和预测以这个框架为超晶胞模型；步骤三：测试纯c‑ZrO2的高压稳定性，将基础元胞在设置压力大小为10~100Gpa的环境下进行结构优化，得到相应的晶格参数变化范围是：0.50499nm~0.47029nm，可以同时计算下不同压力下的相对体积、密度，总能量，绘制曲线，相对总能量值越小，相应的体系结构越稳定；步骤四：计算普通压力下掺杂体系的单点能，在CASTEP模块中，选择计算任务为“energy”；选择平面波截止能为380eV；采用4×4×4的Monkhorst–pack的K网格点设置，加入自旋极化；在后面所有的单点能计算中：O，Zr，Sr、Ba、La、Er元素的价电子分别取2s22p4，3d104d25s2，3d105s2，5d106s2，4f125d106s2，含有稀土元素的体系中的弛豫计算赝势均选择OTFG超软赝势，在计算光电性能时需要使用模守恒赝势；对保存的每个经过结构优化后的模型分别进行常压下能带结构计算。