本發(fā)明屬于計算機(jī)，具體涉及一種基于第一性原理的金屬表面patch效應(yīng)檢測方法。

背景技術(shù)：

1、理想的導(dǎo)體表面是等勢的，但是實際導(dǎo)體表面電勢分布并不均勻且會隨時間變化，該效應(yīng)稱之為patch效應(yīng)。這種現(xiàn)象是由晶體不同取向的區(qū)域、輻射損傷和污染物等因素引起的電荷分布的不均勻性。patch效應(yīng)的存在對高精度實驗和測量產(chǎn)生了顯著的影響，尤其是在需要極高精度和穩(wěn)定性的領(lǐng)域，比如引力波探測。

2、在引力波探測中，衛(wèi)星搭載的慣性傳感器主載荷為一到兩個鍍au金屬塊狀物體作為檢驗質(zhì)量。慣性傳感器的參考基準(zhǔn)要求軌跡沿著測地線做無拖曳運動，并且要求檢驗質(zhì)量受到的噪聲低于探測指標(biāo)。但是檢驗質(zhì)量的patch效應(yīng)一直是影響探測精度的因素之一，對在lisa和天琴等任務(wù)中實現(xiàn)高測量精度提出了挑戰(zhàn)。因此迫切需要更深入地理解patch效應(yīng)。針對造成patch效應(yīng)的因素，比如表面吸附，晶面取向，表面缺陷等。為了判斷這些因素的存在對探測精度造成影響，所以需要建立相關(guān)模型通過計算手段得出在這些因素影響下的表面電勢變化。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明根據(jù)不同的影響因素構(gòu)建了多種相關(guān)模型探索金屬表面patch效應(yīng)。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明中的一種基于第一性原理計算的slab模型，晶界模型，吸附模型和缺陷模型構(gòu)建方法，

3、本發(fā)明首先提供了一種基于第一性原理的金屬表面patch效應(yīng)檢測方法，包括以下步驟：

4、1)獲取目標(biāo)金屬表面的實際原胞晶體結(jié)構(gòu)；

5、2)從材料數(shù)據(jù)庫中獲取與實際原胞晶體結(jié)構(gòu)對應(yīng)的原胞晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件；

6、3)基于所述原胞晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件切取目標(biāo)晶面，并在切取的目標(biāo)晶面基礎(chǔ)上構(gòu)建目標(biāo)晶面的晶界模型以及構(gòu)建具有真空層的slab模型；

7、4)分別對所述slab模型和晶界模型進(jìn)行第一性原理弛豫計算，得到穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型的結(jié)構(gòu)信息以及穩(wěn)定構(gòu)型的晶界模型的結(jié)構(gòu)信息，之后進(jìn)行可視化，得到穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型以及穩(wěn)定構(gòu)型的晶界模型；

8、5)基于穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型的結(jié)構(gòu)信息建立雜質(zhì)原子或分子的吸附模型和帶有點缺陷和缺陷簇的缺陷模型；

9、6)對所述吸附模型和缺陷模型進(jìn)行第一性原理弛豫計算，得到穩(wěn)定構(gòu)型的吸附模型以及穩(wěn)定構(gòu)型的缺陷模型的結(jié)構(gòu)信息；之后進(jìn)行可視化，得到穩(wěn)定構(gòu)型的吸附模型以及穩(wěn)定構(gòu)型的缺陷模型；

10、7)基于所述穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型、穩(wěn)定構(gòu)型的晶界模型、穩(wěn)定構(gòu)型的吸附模型和穩(wěn)定構(gòu)型的缺陷模型結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行第一性原理電子性質(zhì)計算，得到相應(yīng)的功函數(shù)，從而實現(xiàn)對目標(biāo)金屬表面patch效應(yīng)進(jìn)行檢測。

11、本發(fā)明還提供了一種用于實施上述基于第一性原理的金屬表面patch效應(yīng)檢測方法的系統(tǒng)，包括：

12、原胞晶體結(jié)構(gòu)獲取模塊，用于獲取目標(biāo)金屬的金屬表面的實際原胞晶體結(jié)構(gòu)；

13、數(shù)據(jù)文件獲取模塊，用于從材料數(shù)據(jù)庫中獲取與實際原胞晶體結(jié)構(gòu)對應(yīng)的原胞晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件；

14、slab模型構(gòu)建模塊，用于基于所述目標(biāo)金屬的原胞晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件構(gòu)建目標(biāo)晶面的slab模型；

15、slab模型弛豫模塊，用于對所述slab模型進(jìn)行第一性原理弛豫計算，得到穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型的結(jié)構(gòu)信息；

16、晶界模型構(gòu)建模塊，用于基于所述目標(biāo)金屬的原胞晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件建立目標(biāo)晶面的晶界模型；

17、晶界模型弛豫模塊，對所述晶界模型進(jìn)行第一性原理弛豫計算，得到穩(wěn)定構(gòu)型的晶界模型結(jié)構(gòu)信息；

18、吸附模型構(gòu)建模塊，用于對所述穩(wěn)定slab模型的結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行可視化；基于穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型結(jié)構(gòu)文件，建立目標(biāo)晶面的吸附雜質(zhì)原子或分子的吸附模型；

19、吸附模型弛豫模塊，用于對所述吸附模型分別進(jìn)行第一性原理弛豫計算，得到穩(wěn)定構(gòu)型的吸附模型結(jié)構(gòu)信息；

20、缺陷模型構(gòu)建模塊，用于對所述穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型的結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行可視化；基于穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型結(jié)構(gòu)文件，建立目標(biāo)晶面的缺陷模型；

21、缺陷模型弛豫模塊，對所述缺陷模型進(jìn)行第一性原理弛豫計算，得到穩(wěn)定構(gòu)型的缺陷模型結(jié)構(gòu)信息；

22、電子性質(zhì)模塊，用于基于所述穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型結(jié)構(gòu)信息、穩(wěn)定構(gòu)型的晶界模型結(jié)構(gòu)信息、穩(wěn)定構(gòu)型的吸附模型結(jié)構(gòu)信息和穩(wěn)定構(gòu)型的缺陷模型結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行第一性原理電子性質(zhì)計算，得到穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型、穩(wěn)定構(gòu)型的晶界模型、穩(wěn)定構(gòu)型的吸附模型和穩(wěn)定構(gòu)型的缺陷模型的功函數(shù)；從而對目標(biāo)金屬表面patch效應(yīng)進(jìn)行檢測。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

24、本發(fā)明通過模型計算研究金屬晶體各向異性、晶界、表面雜質(zhì)吸附、缺陷等因素對功函數(shù)的影響，建立目標(biāo)晶面的晶界模型得出晶界的存在對功函數(shù)的影響；最后在穩(wěn)定構(gòu)型的slab結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上建立吸附模型和缺陷模型，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后而得到功函數(shù)變化。本發(fā)明充分利用高性能計算平臺強(qiáng)大的理論計算和模擬能力，減少了實驗設(shè)備和實驗材料帶來的高昂運行成本，過程操作簡便，能夠檢測金屬表面電勢，即patch效應(yīng)的根本原因。

技術(shù)特征：

1.一種基于第一性原理的金屬表面patch效應(yīng)檢測方法；其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬表面patch效應(yīng)檢測方法，其特征在于，對所述slab模型進(jìn)行第一性原理弛豫計算，得到穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型結(jié)構(gòu)信息，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬表面patch效應(yīng)檢測方法，其特征在于，對所述晶界模型進(jìn)行第一性原理弛豫計算，得到穩(wěn)定構(gòu)型的晶界模型的結(jié)構(gòu)信息，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬表面patch效應(yīng)檢測方法，其特征在于，基于穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型結(jié)構(gòu)文件，建立具有雜質(zhì)原子或分子的吸附模型具體為：將穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型結(jié)構(gòu)文件進(jìn)行可視化，將吸附雜質(zhì)原子或分子設(shè)置在可視化后的slab模型上方處，得到具有雜質(zhì)原子或分子的吸附模型，所述雜質(zhì)原子或分子包括h、-oh、o、o2。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬表面patch效應(yīng)檢測方法，其特征在于，基于穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型結(jié)構(gòu)文件，建立帶有點缺陷和缺陷簇的缺陷模型具體為：將穩(wěn)定構(gòu)型的slab模型結(jié)構(gòu)文件進(jìn)行可視化，在可視化后的slab模型的表面去掉一個金屬原子來模擬金屬表面的點缺陷，去掉多個連續(xù)相鄰的金屬原子來模擬缺陷簇，從而得到帶有點缺陷和缺陷簇的缺陷模型。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬表面patch效應(yīng)檢測方法，其特征在于，所示步驟5)包括以下子步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬表面patch效應(yīng)檢測方法，吸附模型和缺陷模型構(gòu)建方法，其特征在于，對所述的slab模型，吸附模型和缺陷模型進(jìn)行第一性原理弛豫計算時，采用的密度泛函為pbe雜化密度泛函，允許表面三層原子和吸附原子弛豫，具體能量收斂值為1×10-5ev，當(dāng)原子間力的最大值小于結(jié)束結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

8.根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一項所述的金屬表面patch效應(yīng)檢測方法，其特征在于，所述最大平面波截斷能設(shè)置為400-500ev。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬表面patch效應(yīng)檢測方法，其特征在于，所述的slab模型的真空層的厚度是在建立吸附模型時，將吸附的原子或分子建立于目標(biāo)金屬的slab模型的正上方處。

10.一種用于實施權(quán)利要求1所述基于第一性原理的金屬表面patch效應(yīng)檢測方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于第一性原理的金屬表面Patch效應(yīng)檢測方法。本發(fā)明包括獲取目標(biāo)金屬表面的實際原胞晶體結(jié)構(gòu)并獲取對應(yīng)的原胞晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件；基于金屬原胞文件建立slab模型，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后計算得出晶面各向異性導(dǎo)致的功函數(shù)差異；建立目標(biāo)晶面的晶界模型得出晶界的存在對功函數(shù)的影響；并在穩(wěn)定構(gòu)型的slab結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上建立吸附模型和缺陷模型，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后而得到功函數(shù)變化，最終實現(xiàn)對金屬表面Patch效應(yīng)的檢測。本發(fā)明減少了實驗設(shè)備和實驗材料帶來的高昂運行成本，過程操作簡便，能夠揭示金屬表面Patch效應(yīng)的根本原因。

技術(shù)研發(fā)人員：張澤民,趙晶晶,程旭
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘭州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9