一种调控稀土镍氧化物的金属-绝缘体相变的设计方法

本发明涉及无机功能材料分析表征领域，尤其是涉及一种调控稀土镍氧化物的金属-绝缘体相变的设计方法。

背景技术：

1、稀土镍氧化物作为一种重要的功能材料，在催化、传感、能源存储和转换等领域展现出广泛的应用潜力。特别是，这类材料的金属-绝缘体相变特性对于其电子和光学性质具有决定性影响，这使得对其调控成为材料科学研究的热点之一。

2、稀土镍酸盐(renio3)是一种钙钛矿型氧化物，其d轨道具有很强的电子相关性。研究表明ni-o-ni键角的增加与renio3金属-绝缘体转变温度的降低相关。renio3丰富的电子性质使其具有一系列诸如从电子器件、储能、高温超导体等相关的潜在应用。

3、超晶格是由两种或两种以上不同材料的周期性分层形成的复杂结构。这种结构的尺度和周期可调，赋予了材料许多新奇的光学、热学、电学、磁学特性。当两种不同的钙钛矿氧化物薄膜堆叠形成超晶格时，晶格常数和对称性的差异会导致它们的物理性质发生显著变化。

4、传统的调控方法主要依赖实验试错，过程耗时且成本高昂。此外，由于缺乏对材料微观结构和电子行为的深入理解，这些方法往往难以实现精准调控。随着计算材料科学的发展，第一性原理计算为理解材料的原子尺度行为提供了强有力的工具。然而，面对复杂的材料体系，如稀土镍氧化物超晶格，单纯的第一性原理计算在计算成本和时间上仍面临巨大挑战。

5、此外，尽管已有研究通过密度泛函理论(dft)对稀土镍氧化物的电子结构进行了一定程度的探索，但对于其厚度和组成多样性的系统性研究仍然不足。同时，光学性质的计算和预测，尤其是对于超晶格结构的光学响应，仍然需要更高效的计算方法和工具。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种调控稀土镍氧化物的金属-绝缘体相变的设计方法，其明确了稀土镍氧化物超晶格的金属-绝缘体相变与超晶格厚度以及稀土元素种类等的相关性；通过第一性原理计算出材料的原子微结构和电子行为以及光学吸收谱，之后通过机器学习的方法对能带结构和光学性质进行预测，为超晶格材料的设计和优化提供了更深的理解。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种调控稀土镍氧化物的金属-绝缘体相变的设计方法，包括以下步骤：

4、s1：通过晶体结构可视化软件materials studio构建稀土镍氧化物超晶格模型，并转化为三维原子坐标文件，实现模型构建；

5、s2：利用vasp软件对稀土镍氧化物与钛酸锶表面结构进行结构优化，合并得到超晶格模型，并计算表面结合能，完成界面能的计算设计；

6、s3：通过晶体结构可视化软件展示优化后的体系结构，绘制电荷密度图、态密度图、能带结构图及光学吸收谱图，使用机器学习算法对材料厚度变化与能量变化进行分析预测，实现结果处理与分析，用于指导实验研究和材料优化。

7、进一步地，s1中，具体包括以下步骤：

8、s1-1：使用materials studio软件根据稀土镍氧化物的晶体结构信息，设计并构建出超晶格模型；

9、s1-2：在模型构建完成后，利用materials studio软件将超晶格模型转化为三维的原子坐标文件。

10、进一步地，s1-1中，具体包括：选择合适的稀土元素种类和镍氧化物层厚度，以及确定超晶格的周期性和对称性，确保模型的物理意义和化学准确性；

11、s1-2中，具体包括：将模型中的原子位置信息以数值形式表达出来，生成的坐标文件将用于结构优化和电子特性计算，确保计算的准确性和可重复性。

12、进一步地，s2中，具体包括：

13、s2-1：分别对稀土镍氧化物和钛酸锶的表面结构进行单独的结构优化：使用vasp软件进行结构优化，通过计算确定稀土镍氧化物和钛酸锶材料表面结构的最低能量状态，即最稳定的几何构型；

14、s2-2：超晶格模型构建与界面能计算：在得到优化后的稳定表面结构之后，将稀土镍氧化物和钛酸锶两种材料的表面结构合并，形成稀土镍氧化物/钛酸锶超晶格的初始模型，然后，对合并后的超晶格模型进行进一步的结构优化，以确保超晶格界面处的原子排列同样达到能量最低状态；

15、s2-3：计算优化后的超晶格模型的表面结合能。

16、进一步地，s2-1中，所述优化过程具体包括：调整原子位置和/或晶格参数，直至达到收敛条件，以此确保结构的力学和热力学稳定性；

17、s2-3中，具体包括：通过评估超晶格中稀土镍氧化物与钛酸锶界面处的能量状态，来定量分析界面的稳定性和结合强度。

18、进一步地，s3中，具体包括：

19、s3-1：使用晶体结构可视化软件materials studio，展示经过结构优化后的稀土镍氧化物超晶格模型，进一步绘制出体系的电荷密度图、态密度图、能带结构图，以此获取材料的电子结构和性质信息；

20、s3-2：基于优化后的电子结构和性质信息数据文件，计算光学吸收谱图；

21、s3-3：利用机器学习算法对所得光学吸收谱图数据进行处理和分析，定量表征材料厚度变化与能量变化的相关性，并预测稀土镍氧化物超晶格的金属-绝缘体相变行为，从而指导实验研究和材料优化。

22、进一步地，s3-3中，具体包括：

23、使用机器学习算法对通过第一性原理计算得到的数据进行特征提取和重要性评估，包括：基于皮尔逊相关系数计算超晶格相关系数矩阵，同时来识别影响稀土镍氧化物超晶格金属-绝缘体相变的关键因素；

24、基于特征分析的结果，训练机器学习模型，并通过机器学习模型对稀土镍氧化物超晶格材料的厚度变化与能量变化进行定量表征，利用训练好的模型对不同厚度和稀土元素种类的超晶格材料的金属-绝缘体相变行为进行预测，为材料的设计和优化提供指导。

25、进一步地，所述机器学习模型包括bagging、gbr、rf、xgboost算法模型中的至少一种。

26、进一步地，s1-2中，所述电子特性计算的计算流程包括：

27、进行结构优化，然后进行带隙计算，接着进行光学性质计算，最后开展机器学习；

28、所述电子特性计算以稀土元素种类与镍氧化物层厚度的大小为变量，考察变量对稀土镍氧化物的金属-绝缘体相变的影响。

29、进一步地，s3-1中，能带结构图为在倒空间高对称点文件中，设置连线模式，在自洽电荷密度基础上进行分析和计算；

30、所述光学性质计算是在波函数文件的基础上，获得介电常数矩阵，再结合介电常数的实部和虚部，算出吸收谱。

31、与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

32、(1)本发明按照第一性原理的计算，它需要稀土镍氧化物材料体系的各元素的基本晶体结构信息，不需要其它额外参数，计算出体系的空间结构、电子状态、总能量等信息；

33、(2)本发明通过计算揭示了调控稀土镍氧化物的金属-绝缘体相变的重要因素，能够对实验研究稀土镍氧化物超晶格的金属-绝缘体相变做必要的补充，还能为新材料的制备提供理论指导和设计依据；

34、(3)本发明采用了四种不同的机器学习拟合模型对调控稀土镍氧化物超晶格的金属-绝缘体相变的影响因素进行特征重要性选择评估，可以准确地对调控因素的相关性进行定量表征，可以为新材料的制备提供开阔的视野；

35、(4)本发采用只需要计算机的实验设备，不需要实验原材料，大大降低实验费用，且计算效率高、过程易控制。