[发明专利]基于第一性原理计算设计二维蜂巢状kagome狄拉克半金属结构及其性质表征的方法

说明书

本发明涉及一种基于第一性原理计算设计二维蜂巢状kagome狄拉克半金属结构及其性质表征的方法，并使用基于密度泛函理论的维也纳从头模拟包进行第一性原理研究，以单层石墨烯原胞为基础，将第四主族原子X替换原始碳原子，并在原始的X－X原子之间线性插入第二副族原子M，在同一平面内以单键连接为六元环结构制备得到二维单层蜂窝状狄拉克锥材料，从微观尺度将理论计算与实验结合，探究狄拉克锥形成机制，同时研究了其保持狄拉克锥性质的晶格畸变范围，以确保半金属性，同时还构建了以相似结构六方SiC为衬底的异质结Msubgt;3/subgt;Xsubgt;2/subgt;/SiC，通过计算的能带结构，电子局域函数及相互作用能分析了实验制备狄拉克锥材料的可行性。

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，特别是一种基于第一性原理计算设计二维蜂巢状kagome狄拉克半金属M₃X₂结构及其性质表征的方法，属于狄拉克材料制备技术领域。

背景技术

狄拉克锥是一种独特的能带结构，其能带中的价带和导带在费米能级处相交。展现出能量与动量的线性色散关系。由于这种能带结构满足描述相对论粒子能量动量关系的狄拉克方程，因此被称为狄拉克锥。狄拉克锥能带描述的电子，是一种静止有效质量近乎为零的粒子，其行为类似于光子。研究发现，具有狄拉克锥能带结构的材料，具有许多优异的物理性质，比如弹道电荷输运、超高载流子迁移率和量子霍尔效应等。到目前为止，虽然已经预测了大量的狄拉克锥材料，但除了石墨烯、硅烯、锗烯和硼磷烯等外，很少能通过实验合成，这阻碍了狄拉克锥材料在纳米电子器件中的应用。有必要设计新型狄拉克锥材料并探究在合适的衬底上的合成可行性。

由于实验条件的苛刻及不确定性，发现新型狄拉克锥材料将是一个复杂而漫长的过程。而理论计算可以通过仿真设计一种新材料，并通过计算预测其动力学稳定性，电子性质，保持狄拉克锥性质的晶格畸变范围及在合适衬底上的性质，缩短实验试错周期。

本发明提供一种二维单层狄拉克锥材料的设计及性能表征方法，通过动力学稳定性，电子性质，保持狄拉克锥性质的晶格畸变范围及寻找合适的衬底，来实现狄拉克锥材料的制备。

本发明通过以下技术方案实现。

一种基于第一性原理计算的二维单层狄拉克锥材料材料设计和表征方法:

方法包括模型构建，计算模拟，结果分析与处理。

1.模型构建

以单层石墨烯原胞为基础，将第四主族原子与第二副族原子在平面内链接为六元环结构得到二维单层狄拉克锥材料，具体步骤如下：

步骤1、将原有单层石墨烯单胞成键类型改为单键

步骤2、扩大晶格常数后将碳原子替换为第四主族原子X＝Si,Ge

步骤3、在X-X原子两两之间的位置加入第二副族原子M＝Zn,Ge,Hg

步骤5、将设计的材料单胞扩大至3×3倍的超胞

步骤6、将步骤3得到的材料单胞进行优化得到二维单层狄拉克锥材料M₃X₂。

2.计算模拟

①结构优化：选择合适的输入文件，用维也纳从头模拟包对步骤3得到的材料进行充分的优化弛豫。

②静态自洽：将优化后的结构文件CONTCAR继续进行静态自洽计算得到其波函数及电荷密度数据文件，并计算了各组成元素相关的能量及单层的能量由此得到内聚能。

③电子性质及晶格畸变下电子性质的计算：利用静态自洽得到的电荷密度及波函数，计算其电子性质，包括电子态密度，能带结构，导带CBM,价带VBM，电荷密度。

结果处理与分析: