新型拉胀压电材料的高通量筛选与数据库网站构建

本发明涉及材料科学，特别是涉及一种新型拉胀压电材料的高通量筛选与数据库网站构建。

背景技术：

1、压电材料作为一种新兴的多功能材料，能够实现机械能与电能的相互转化。它们广泛应用于制作换能器、传感器、滤波器等一系列的器件，在国民经济的各个领域都发挥着重要的作用。压电材料通常具备非对称的晶体结构。当受到机械应力作用时，压电材料会在其表面产生与机械应力成正比的电荷，这种现象被称为正压电效应。而在外加电场作用下，压电材料会产生与电场成正比的几何应变，这种现象被称为逆压电效应。常见的压电材料包括石英石(α-sio2)、罗谢耳盐(nakc4h4o6·4h2o)、磷酸二氢钾(kh2po4，kdp)、钛酸钡(batio3，bto)、铌酸锂(linbo3，lno)、锆钛酸铅(pb[zrxti(1-x)]o3，pzt)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、三甲基氯甲基铵氯酸镉盐(tmcm-cdcl3)等。

2、传统的压电材料的纵向(d33)和横向(d31、d32)压电系数通常具有相反的符号。例如，pbtio3晶体的d33为83.7pc/n，而d31为-27.5pc/n；pvdf薄膜的d33约为-20pc/n，而d31约为20pc/n。这些压电材料在电场方向上会纵向膨胀，但在垂直于电场方向上则会横向收缩或相反，表现出正泊松比的力电耦合。而拉胀压电材料能够实现d31、d32和d33系数均为正或均为负，这对于提升水声换能器的性能具有重要应用。在水声换能器领域，静水压电系数dh(dh＝d31+d32+d33)是关键指标，直接关系到换能器的灵敏度和效率。但当前拉胀压电材料研究中存在以下缺陷和不足：

3、1)目前，理论预测并给出具体化学式的具有本征拉胀压电效应的材料不到15种。因此，亟需通过高通量筛选等方法找到一系列新型拉胀压电材料，以便在实验中进行验证，扩展材料的种类和应用范围。

4、2)此外，目前对于拉胀压电材料的构效关系研究仍然不足。通过高通量筛选构建拉胀压电材料数据库，并借助先进的机器学习技术，有可能系统地建立拉胀压电材料的结构与性能之间的关系。

5、另外，针对压电材料，现有材料数据库存在以下几个方面的缺陷和不足：

6、1)尽管materials project和jarvis-dft数据库中包含了部分材料的压电系数，但是目前没有专门用于压电研究的压电材料数据库网站。

7、2)目前materials project和jarvis-dft数据库中主要包含的是压电应力系数，缺乏完整的包含压电应变系数张量矩阵的数据库，这严重限制了新型拉胀压电效应材料的发现。

8、3)国内尚无公开报道的压电材料数据库，更缺乏具有拉胀压电材料的详细数据库。

9、因此，亟需研究一种既可以实现拉胀压电材料的筛选，又可以通过数据库网站获取拉胀压电材料信息的方法。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种新型拉胀压电材料的高通量筛选与数据库网站构建，解决了现有技术中压电材料数据库的研究空白问题，并通过构建数据库网站，实现了压电材料的数据分类、筛选和检索，为科研人员在压电材料性能预测、优化设计及应用探索等领域奠定基础。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种新型拉胀压电材料的高通量筛选与数据库网站构建，包括以下步骤：

4、s1、根据主流数据库，设定筛选条件，筛选得到具有横向(d31、d32)和纵向(d33)压电系数的压电材料；

5、s2、通过第一性原理计算软件对所述压电材料进行高通量计算，并通过判断具有横向(d31、d32)和纵向(d33)压电材料的压电系数符号正负关系，得到拉胀压电材料的计算结果；

6、s3、整理和分类所述计算结果，并以所述计算结果为数据基础，通过数据托管网站和网页前端开发技术，构建数据库网站。

7、优选地，在步骤s1中，具体包括：

8、s101、选取materials project、jarvis和oqmd作为主流数据库；

9、s102、设定筛选条件为所述压电材料具有热动力学稳定性、带隙和点群对称性的特征信息；

10、s103、通过主流数据库的搜索功能和所述筛选条件，筛选得到具有d31、d32、d33压电系数的压电材料，并进行规模化数据处理，保证所述压电材料满足研究需求。

11、优选地，在步骤s103中，所述压电材料的筛选过程为：通过所述主流数据库去除含稀有气体元素和放射性元素的材料结构，随后对剩余的结构进行压电点群的筛选，保留包含d31、d32和d33独立压电系数的点群，再根据筛选压电点群后的材料结构筛选出ehull≤0.1ev的材料结构，随后对所述ehull≤0.1ev的材料结构进行带隙值的筛选，确定eg≥0.5ev的材料结构为所述压电材料。

12、优选地，在步骤s2中，通过第一性原理计算软件对所述压电材料进行高通量计算，包括：

13、s201、将所述压电材料的不同点群的材料结构进行结构优化，得到优化后的材料结构；

14、s202、基于优化后的材料结构，通过构建aiida构建高通量计算工作量，并使用第一性原理软件计算材料结构的弹性常数张量矩阵；

15、s203、基于步骤s202，选择符合弹性稳定性的材料结构，计算得到压电应力系数张量矩阵；

16、s204、根据所述弹性常数张量矩阵和压电应力系数张量矩阵，计算得到压电应变系数张量矩阵；

17、s205、根据第一性原理高通量计算结果，判断纵向(d33)和横向(d31、d32)压电系数的正负关系，若纵向(d33)和横向(d31、d32)压电系数的正负符号相同，则压电材料为i型拉胀压电材料，若横向压电系数(d31、d32)正负符号相反，则压电材料为ii型拉胀压电材料。

18、优选地，在步骤s204中，所述压电应变系数张量矩阵的计算公式为：

19、

20、式中，dij为压电应变系数张量矩阵，cij为弹性常数张量矩阵，eik为压电应力系数张量矩阵，skj和sij为柔度张量矩阵。

21、优选地，在步骤s3中，具体包括：

22、s301、基于所述计算结果，确定所述压电材料的结构属性信息；所述结构属性信息包括但不限于优化后的材料结构信息、晶格常数、角度、点群、空间群、弹性常数、压电应变张量、压电应力张量和泊松比；

23、s302、根据所述压电材料的结构属性信息，对每种材料结构进行分类和标记，再根据对应的压电系数点群，将所述结构属性信息进行不同类别的分类划分。

24、优选地，在步骤s3中，还包括：

25、s303、将分类划分后的结构属性信息整理为标准化的数据格式，提取并规范化所需的数据信息；

26、s304、将提取并规范化后的数据信息存储于github课题组账号中，并通过fetchapi前端抓取文件数据；

27、s305、根据前端抓取的文件数据，通过vue框架构建所述数据库网站的前端界面，设计并开发所述数据库网站的首页、数据检索页和样本数据详情页，并通过python或node.js后端技术处理数据的获取与展示逻辑，实现数据的动态加载和交互功能。

28、优选地，在步骤s303中，所述数据信息包括但不限于晶体结构信息、能带结构和密度泛函理论计算结果。

29、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：

30、(1)本发明通过高通量筛选的初始样本数量庞大，超过140万个初始结构，确保了能够筛选出大量的拉胀压电材料；并且在高通量筛选过程中，综合考虑了材料的实验可合成性、半导体特性和弹性稳定性等因素，确保筛选得到的拉胀压电材料对实验研究人员具有重要的参考价值。

31、(2)本发明还利用开源的工作流软件aiida构建了高通量计算方案，包括上述技术方案中的结构优化、弹性常数计算、压电系数计算，保证了整个流程的自动化和结果的高度可重复性。

32、(3)本发明通过基于vue框架的前端实现以及数据存储于github的方式，使得网站具备了良好的可维护性和可扩展性，同时通过fetchapi的使用，确保了数据的快速加载和页面的流畅展现；并且本发明收录了大量的压电材料样本，涵盖了多种结构和性质的材料，用户可以在网站上找到丰富多样的压电材料数据，满足不同研究和应用需求。

33、(4)本发明还提供了面向点群且针对压电属性的材料检索，用户可以根据压电属性进行筛选和搜索，而不是仅限于通用材料属性的检索，这使得用户能够更快速地定位到所需的压电材料数据，提高了检索的准确性和效率。

34、(5)本发明提供了针对压电材料的结构详情显示功能，用户可以直观地了解材料的晶体结构和原子排列情况，这为用户深入理解材料性质提供了重要的参考和便利。

35、(6)本发明的材料数据均以相同的参数使用第一性原理计算软件计算获得，保证了数据的一致性和可靠性，同时这种统一计算方法和严格的数据质量控制机制，确保了用户获取的数据具有高质量和可信度。