层状材料滑移模型的批量构建方法、系统、设备及介质

1.本发明涉及层状材料设计技术领域，特别是涉及一种层状材料滑移模型的批量构建方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.层状材料包括石墨、六方氮化硼、过渡金属碳化物、过渡金属二硫族化合物、金属有机框架化合物等，上述层状材料表现出优异的物理、化学性质，在生物医疗、催化、半导体、储能等领域具有巨大的应用前景。近年来，人们发现层状材料层间滑移能够有效地改变其电子结构，比如石墨层间滑移易于形成类金刚石结构，六方氮化硼层间滑移有利于在高压下截获w-bn。因此，通过将层状材料叠放交错至不同的角度，对其进行大规模系统研究，探究材料优异特性具有重大意义。
3.目前，商业软件包括materials studio和vesta等能够实现一个结构的滑移且只能实现特定步长的滑移量。然而，理论上系统研究滑移体系的性质规律，则需要批量建立(成千上万)不同滑移尺寸的模型。如何提高模型建立效率与精度，降低人工成本是高效开展相关领域研究的难点。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种层状材料滑移模型的批量构建方法、系统、设备及介质，提高了批量构建滑移模型的效率，同时降低了成本。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种层状材料滑移模型的批量构建方法，包括：
7.构建层状材料的初始晶体模型；
8.从所述初始晶体模型中提取基本晶格信息；
9.基于所述基本晶格信息，编写所述层状材料进行层间滑移的滑移程序；所述批量滑移程序用于将所述初始晶体模型的底面固定，然后将层状材料向x轴方向进行第一次滑移，滑移量为dsinθ，所述初始晶体模型的底面为x轴和y轴所在平面，然后将经历了第一次滑移的晶体模型以z轴为中心，沿逆时针方向做第二次滑移，滑移量为dsinθsinω；θ为第一次滑移的滑移角度，ω为第二次滑移的滑移角度；
10.为θ和ω赋予不同的值，运行所述滑移程序，获得批量滑移结构模型。
11.可选地，所述构建层状材料的初始晶体模型，具体包括：
12.采用materials studio软件建立所述层状材料的初始晶体模型。
13.可选地，从所述初始晶体模型中提取基本晶格信息，具体包括：
14.采用vesta软件将所述初始晶体模型转变为三维原子坐标结构，从所述三维原子坐标结构中提取所述初始晶体模型的基本晶格信息。
15.可选地，基于所述基本晶格信息，编写所述层状材料进行层间滑移的滑移程序，具体包括：
16.采用fortran语言编写所述层状材料进行层间滑移的滑移程序。
17.可选地，为θ和ω赋予不同的值，运行所述滑移程序，获得批量滑移结构模型，具体包括：
18.运行所述滑移程序，将滑移后晶体结构模型的晶格矢量信息、晶格常数信息和晶格角度信息分别进行保存，获得滑移结构模型。
19.可选地，所述层状材料包括石墨、六方氮化硼、过渡金属碳化物、过渡金属二硫族化合物和金属有机框架化合物。
20.本发明还公开了一种层状材料滑移模型的批量构建系统，包括：
21.初始晶体模型构建模块，用于构建层状材料的初始晶体模型；
22.基本晶格信息提取模块，用于从所述初始晶体模型中提取基本晶格信息；
23.滑移程序编写模块，用基于所述基本晶格信息，编写所述层状材料进行层间滑移的滑移程序；所述批量滑移程序用于将所述初始晶体模型的底面固定，然后将层状材料向x轴方向进行第一次滑移，滑移量为dsinθ，所述初始晶体模型的底面为x轴和y轴所在平面，然后将经历了第一次滑移的晶体模型以z轴为中心，沿逆时针方向做第二次滑移，滑移量为dsinθsinω；θ为第一次滑移的滑移角度，ω为第二次滑移的滑移角度；
24.滑移结构模型获取模块，用于为θ和ω赋予不同的值，运行所述滑移程序，获得批量滑移结构模型。
25.本发明还公开了一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据所述的层状材料滑移模型的批量构建方法。
26.本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如所述的层状材料滑移模型的批量构建方法。
27.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
28.本发明通过编写滑移程序，实现了层状材料滑移模型高效、高质量的批量建立，有效降低了建模时间，提高了建模效率，节约人工成本。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明实施例提供的一种层状材料滑移模型的批量构建方法流程示意图；
31.图2为本发明实施例提供的层状材料进行层间滑移示意图；
32.图3为本发明实施例提供的初始和优化处理过后的六方氮化硼结构示意图；
33.图4为本发明实施例提供的六方氮化硼进行不同角度滑移的滑移结构示意图和分子动力学模拟后的剪切高压结构示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明的目的是提供一种层状材料滑移模型的批量构建方法、系统、设备及介质，提高了批量构建滑移模型的效率，同时降低了成本。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.本发明的技术思路为构建层状结构初始文件，利用程序读取结构文件的晶格矢量信息，通过滑移角度θ和角度ω控制滑移层的滑移量；通过球坐标到直角坐标的转换公式x＝dsinθcosω，y＝dsinθsinω，z＝dcosθ，计算晶胞中每个原子实际上在x，y，z方向的相对位移矢量；根据上述设计思路，利用fortran语言编写滑移程序(sliding.for)，编写shell脚本辅助程序(split_rotation_cif.sh)批量生成滑移层状结构文件。
38.实施例1
39.如图1所示，本发明实施例提供的一种层状材料滑移模型的批量构建方法，包括以下步骤。
40.步骤101：构建层状材料的初始晶体模型。
41.所述层状材料包括石墨、六方氮化硼、过渡金属碳化物、过渡金属二硫族化合物和金属有机框架化合物等。
42.其中，步骤101具体包括：
43.采用materials studio软件建立所述层状材料的初始晶体模型，更具体地，为通过materials studio软件导出滑移层状材料的晶体学信息文件(crystallographic informationfile，cif)。
44.步骤102：从所述初始晶体模型中提取基本晶格信息。
45.其中，步骤102具体包括：
46.采用电子和结构分析的可视化(visualization for electronic and structural analysis，vesta)软件将所述初始晶体模型转变为三维原子坐标结构，从所述三维原子坐标结构中提取所述初始晶体模型的基本晶格信息，更具体地，借助vesta软件，将材料的晶体模型cif文件转变为三维原子坐标文件vasp文件；将晶格结构模型的基本晶格矢量信息(ax、ay、az、bx、by、bz、cx、cy、cz)输入编写程序。
47.步骤103：基于所述基本晶格信息，编写所述层状材料进行层间滑移的滑移程序；所述批量滑移程序用于将所述初始晶体模型的底面固定，然后将层状材料向x轴方向进行第一次滑移，滑移量为dsinθ，所述初始晶体模型的底面为x轴和y轴所在平面，然后将经历了第一次滑移的晶体模型以z轴为中心，沿逆时针方向做第二次滑移，滑移量为dsinθsinω；θ为第一次滑移的滑移角度，ω为第二次滑移的滑移角度。
48.其中，步骤103具体包括：
49.采用fortran语言编写所述层状材料进行层间滑移的滑移程序，更具体地，首先令底层oxy面原子固定，将层状材料的oc边向x轴方向滑移θ角，使上层原子整体向x轴方向滑移dsinθ的距离。其次将转动θ角的层状结构，在垂直于z轴方向沿逆时针方向再做ω角转动，使层状结构在oxy面沿着逆时针方向滑移。根据球坐标与直角坐标的转换公式，晶胞中
每个原子实际上都在x方向经历了一个dsinθ的相对矢量位移，在y方向经历了一个dsinθsinω的相对矢量位移，在z方向经历了一个d-dcosθ的相对矢量位移。
50.滑移程序sliding.for主要有两种作用，一是读取初始晶体结构模型中的晶格矢量、初始晶体模型的滑移角度θ和ω、滑移步长、滑移数量；二是调用子程序中滑移公式计算不同滑移角度θ和ω的具体滑移尺寸，晶胞中每个原子实际上都经历了一个dsinθ、dsinθsinω和d-dcosθ的相对矢量位移，d为层状材料最长边的边长oc。
51.滑移程序的具体实施过程包括：
52.假设建立坐标轴，如图2所示，令层状材料的oab面位于坐标轴的oxy面，oa和ob分别对应底面oxy的x轴和y轴，垂直于底面oxy为z轴。
53.图2中(a)表示层状材料，oa、ob和oc为层状材料的晶格常数，即层状材料的长、宽和高。
54.首先将层状材料的oc边向x轴方向转动θ角(θ＝ranglez)，这个过程相当于底层原子固定，上层原子整体向x轴方向滑移dsinθ的距离，如图2中(b)所示。
55.其次将转动θ角的层状结构，在垂直于z轴方向沿逆时针方向再做ω角(ω＝unitangle)滑移，如图2中(c)所示，也就是使层状结构在oxy面沿着逆时针方向滑移，使晶胞中每个原子都经历了一个dsinθ、dsinθsinω和d-dcosθ的相对矢量位移。
56.步骤104：为θ和ω赋予不同的值，运行所述滑移程序，获得批量滑移结构模型。
57.其中，步骤104具体包括：
58.运行所述滑移程序，将滑移后晶体结构模型的晶格矢量信息、晶格常数信息、晶格角度信息进行保存，存储文件分别为lattice_rotation_vasp.dat、lattice_rotation_cif.dat、angle_rotation_cif.dat，最终获得滑移结构模型。批量处理脚本split_rotation_cif.sh主要作用是获得批量滑移结构，将每一滑移角度的原子占位信息、晶格常数信息、晶格角度信息再次提取到对应滑移角度的cif文件中，最后将获得的批量滑移模型存储在cif_rotation_file文件夹中。
59.滑移模型的主要参数包括晶格矢量(ax、ay、az、bx、by、bz、cx、cy、cz)、晶格常数(oa、ob、oc)、晶格角度(wxy(α)、wyz(β)、wzx(γ))、单位滑移弧度(unitangle＝ω)、滑移角度数目(numangle)和z轴滑移角度(ranglez＝θ)。
60.通过fortran语言编写批量滑移程序sliding.for和split_rotation_cif.sh滑移脚本，其具体的操作过程为：将sliding.for和split_rotation_cif.sh拷贝到linux系统，将提取的晶格基本信息、滑移参数角度θ和ω、单位滑移步长以及总体滑移数目输入到sliding.for文件中(比如，unitangle＝1，numangle＝(360.0/unitangle)+1.0，ranglez＝30
°
，ax＝7.4218，ay＝0，az＝0，bx＝-3.7108，by＝6.4275，bz＝0，cx＝0，cy＝0，cz＝11.0285)，执行ifortsliding.for命令，获得二进制加权文件a.out，运行a.out，读取以上信息，并调用子程序计算不同晶胞中原子的滑移量，将滑移后不同的晶体结构模型的晶格矢量信息保存至lattice_rotation_vasp.dat文件，晶格常数信息保存至lattice_rotation_cif.dat文件，晶格角度信息保存至angle_rotation_cif.dat文件。随后运行脚本split_rotation_cif.sh，分别对上述lattice_rotation_cif.dat和angle_rotation_cif.dat文件中的具体信息再次提取到对应角度的cif文件中，即获得滑移结构模型，最后将获得的批量滑移模型存储在cif_rotation_file文件夹中。
61.本发明使用的理论依据正确，运行操作简单清晰，解决了现有建模软件缺乏高效批量建立滑移模型的问题，节约时间成本，为系统研究层状材料在不同层间滑移操作下的聚合行为提供了技术支持。
62.实施例2
63.近年来，随着对层状材料高压研究的不断深入，人们已经发现了非静水压中较大的剪切应力是诱导材料转变的关键因素。然而，传统的旋转压机实验难以调控剪切应力加载，其非静水压条件难以控制/定量分析，给深入探索剪切高压下层状材料的转变带来一定的困难。因此通过理论对层状材料进行剪切高压模拟，以达到实验的剪切模拟效果，对设计与合成新型功能材料具有重要意义。为了解决上述问题，本实施例通过构建六方氮化硼层状材料批量滑移模拟不仅可以有效地给出实验中六方氮化硼材料的剪切高压模拟图形，还获得了多种新型氮化硼结构。
64.为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：
65.首先，利用materials studio软件建立六方氮化硼初始结构模型，然后再借助vesta软件将六方氮化硼材料的初始结构模型转变为三维原子坐标结构。其次，采用基于第一性原理计算方法的vasp(vienna ab initio simulation package)软件包对上述结构进行优化处理。结构优化采用3
×3×
2的布里渊区k点网格，能量收敛的精度为10-5
ev，平面波截断能为520ev。采用gga-pbe交换关联泛函，处理电子与电子的相互作用。初始和优化处理过后的六方氮化硼结构示意图分别为图3中(a)和(b)所示。对优化后的结构施加各向同性压力(20gpa)，通过滑移程序对优化后的结构进行不同角度的批量滑移，模拟剪切压力效果，获得系列滑移结构如图4所示，图4中(a)至(h)分别表示θ(46
°
、47
°
)和ω(0
°
、30
°
、60
°
和90
°
)取不同值时，获得的滑移的结构。随后将所获得的滑移结构利用nve系综进行分子动力学模拟，获得系列剪切高压结构(即新型氮化硼结构)。分子动力学模拟采用1
×1×
1的布里渊区k点网格，能量收敛的精度为10-4
ev。
66.本发明针对当前materials studio和vesta等商业建模软件批量建立层状滑移模型的低效性及局限性，通过fortran语言编写滑移程序，实现了层状材料滑移模型高效、高质量的建立，有效降低了建模时间，节约人工成本。利用该方法，实现了六方氮化硼层状材料在不同取向的滑移，批量构建了滑移模型，验证了该方法的可行性。此外，利用该方法构建的滑移模型，在高压条件下获得了系列新型聚合结构，证明了该方法的适用性。
67.实施例3
68.本实施例提供一种适用于层状材料滑移模型的批量构建系统，该系统包括：
69.初始晶体模型构建模块，用于构建层状材料的初始晶体模型。
70.基本晶格信息提取模块，用于从所述初始晶体模型中提取基本晶格信息。
71.滑移程序编写模块，用基于所述基本晶格信息，编写所述层状材料进行层间滑移的滑移程序；所述批量滑移程序用于将所述初始晶体模型的底面固定，然后将层状材料向x轴方向进行第一次滑移，滑移量为dsinθ，所述初始晶体模型的底面为x轴和y轴所在平面，然后将经历了第一次滑移的晶体模型以z轴为中心，沿逆时针方向做第二次滑移，滑移量为dsinθsinω；θ为第一次滑移的滑移角度，ω为第二次滑移的滑移角度。
72.滑移结构模型获取模块，用于为θ和ω赋予不同的值，运行所述滑移程序，获得批量滑移结构模型。
73.实施例4
74.本实施例提供一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行实施例1所述的层状材料滑移模型的批量构建方法。
75.本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如实施例1所述的层状材料滑移模型的批量构建方法。
76.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
77.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种层状材料滑移模型的批量构建方法，其特征在于，包括：构建层状材料的初始晶体模型；从所述初始晶体模型中提取基本晶格信息；基于所述基本晶格信息，编写所述层状材料进行层间滑移的滑移程序；所述批量滑移程序用于将所述初始晶体模型的底面固定，然后将层状材料向x轴方向进行第一次滑移，滑移量为dsinθ，所述初始晶体模型的底面为x轴和y轴所在平面，然后将经历了第一次滑移的晶体模型以z轴为中心，沿逆时针方向做第二次滑移，滑移量为dsinθsinω；θ为第一次滑移的滑移角度，ω为第二次滑移的滑移角度；为θ和ω赋予不同的值，运行所述滑移程序，获得批量滑移结构模型。2.根据权利要求1所述的层状材料滑移模型的批量构建方法，其特征在于，所述构建层状材料的初始晶体模型，具体包括：采用materialsstudio软件建立所述层状材料的初始晶体模型。3.根据权利要求1所述的层状材料滑移模型的批量构建方法，其特征在于，从所述初始晶体模型中提取基本晶格信息，具体包括：采用vesta软件将所述初始晶体模型转变为三维原子坐标结构，从所述三维原子坐标结构中提取所述初始晶体模型的基本晶格信息。4.根据权利要求1所述的层状材料滑移模型的批量构建方法，其特征在于，基于所述基本晶格信息，编写所述层状材料进行层间滑移的滑移程序，具体包括：采用fortran语言编写所述层状材料进行层间滑移的滑移程序。5.根据权利要求1所述的层状材料滑移模型的批量构建方法，其特征在于，为θ和ω赋予不同的值，运行所述滑移程序，获得批量滑移结构模型，具体包括：运行所述滑移程序，将滑移后晶体结构模型的晶格矢量信息、晶格常数信息和晶格角度信息分别进行保存，获得滑移结构模型。6.根据权利要求1所述的层状材料滑移模型的批量构建方法，其特征在于，所述层状材料包括石墨、六方氮化硼、过渡金属碳化物、过渡金属二硫族化合物和金属有机框架化合物。7.一种层状材料滑移模型的批量构建系统，其特征在于，包括：初始晶体模型构建模块，用于构建层状材料的初始晶体模型；基本晶格信息提取模块，用于从所述初始晶体模型中提取基本晶格信息；滑移程序编写模块，用基于所述基本晶格信息，编写所述层状材料进行层间滑移的滑移程序；所述批量滑移程序用于将所述初始晶体模型的底面固定，然后将层状材料向x轴方向进行第一次滑移，滑移量为dsinθ，所述初始晶体模型的底面为x轴和y轴所在平面，然后将经历了第一次滑移的晶体模型以z轴为中心，沿逆时针方向做第二次滑移，滑移量为dsinθsinω；θ为第一次滑移的滑移角度，ω为第二次滑移的滑移角度；滑移结构模型获取模块，用于为θ和ω赋予不同的值，运行所述滑移程序，获得批量滑移结构模型。8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据权利要求1至6中任一项所述的层状材料滑移模型的批量构建方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的层状材料滑移模型的批量构建方法。

技术总结
本发明公开一种层状材料滑移模型的批量构建方法、系统、设备及介质，涉及层状材料领域，该方法包括构建层状材料的初始晶体模型；从所述初始晶体模型中提取基本晶格信息；基于所述基本晶格信息，编写所述层状材料进行层间滑移的滑移程序；所述批量滑移程序用于将所述初始晶体模型的底面固定，然后将层状材料向x轴方向进行第一次滑移，滑移量为dsinθ，所述初始晶体模型的底面为x轴和y轴所在平面，然后将经历了第一次滑移的晶体模型以z轴为中心，沿逆时针方向做第二次滑移，滑移量为dsinθsinω；为角度θ和ω赋予不同的值，运行所述滑移程序，获得批量滑移结构模型。本发明提高了批量构建滑移模型的效率，同时降低了成本。同时降低了成本。同时降低了成本。


技术研发人员：姚震 刘媛媛 胡阔 刘兆东 刘冰冰 付静
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/20