一种纳米颗粒熔点计算方法

本发明涉及无机纳米颗粒粉体和计算材料，具体涉及一种 pawlow 模型及密度泛函理论的的纳米颗粒熔点计算方法。

背景技术：

1、纳米颗粒的熔点对于设计和应用纳米材料有重要意义，在材料领域，材料合成及加工过程中，以熔点为基准确定的加工温度对颗粒的形态和性质的控制至关重要；在能源领域，利用纳米颗粒的固液相变行为实现相变储能技术，极大地提高了纳米器件及传感器等产品的性能。熔点是材料相变的关键温度点，对微观的颗粒生长及终止过程有重要调控作用，也对宏观的材料加工工艺、工程热力学研究意义重大。

2、纳米颗粒熔点的预测研究颇多，通过显微影像中发生相变的温度或升温时吸热量的变化来确定熔点的实验手段，操作难度高且精度不高。随着算力的提升，各种纳米颗粒熔点预测的理论计算模型和仿真预测方法陆续被开发出来，研究发现纳米颗粒由于纳米效应会呈现出与宏观材料不一样的热学特性，即其熔点依赖于颗粒尺寸，呈现熔点随粒径减小而降低的趋势。各种热力学理论模型如 gibbs-thomson、pawlow、liquid-layer 等相继被提出以揭示具体的熔点尺寸依赖性规律，但经验模型仅限于对系统熔化行为的表面描述，参数及准确度需要进一步修正；基于自由能、固液共存及直接升温的分子动力学仿真，从微观层面的熔化相变机制研究计算熔点，但强烈依赖于计算误差、系统规模、模型结构、升温速率等因素，可能存在热滞后、过热及耗时等问题。

3、因此，本领域亟需一种计算纳米颗粒熔点的研究方法。本发明从 pawlow 理论模型出发，提出了一种基于密度泛函理论 dft 修正模型以计算熔点的新方法，计算纳米颗粒熔点，建立纳米颗粒熔点与粒径的数学模型，能为实践应用提供指导。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于 pawlow 模型及密度泛函理论的纳米颗粒熔点计算方法，以解决现有计算方法存在的准确度低、计算成本大、误差干扰性高等问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

3、本发明涉及一种基于密度泛函理论的纳米颗粒熔点计算方法，该方法包括以下步骤：

4、s1. 导入或构建初始晶胞结构；

5、s2. 使用广义梯度近似的 perdew-burke-ernzerhof (pbe) 函数进行 dft 计算，对原始晶胞进行几何优化，得到优化后的晶体结构；

6、s3. 对优化后的晶体结构进行切面超胞，完全驰豫除固定底面层外的其他层；

7、s4. 系统计算并输出各表面能值，计算出特定晶面的表面能；

8、s5. 将查阅到的材料热力学参数及上述密度泛函 dft 理论计算的表面能值代入pawlow 理论公式，建立特定纳米颗粒熔点与粒径的数学模型。

9、优选地，所述步骤 s1 中，初始单胞结构从开源材料数据库 material project下载或在 material studio 界面手动构建。

10、优选地，所述步骤 s2 中，使用 material studio 软件，选择合适的截止能量及4×2×1 的 k 点对原始晶胞进行几何优化，得到优化后的晶体结构。

11、优选地，所述步骤 s4 中，特定晶面的表面能公式如下所示：

12、其中，为平板模型能量，为大块模型单位晶胞的能量，为平板模型单位晶胞原子数与大块模型单位晶胞中原子数的比值，为平板模型单位晶胞的表面积。

13、优选地，所述步骤 s5 中，查阅文献后对比各种热力学模型，其中 pawlow 模型最能准确定量地给出纳米颗粒熔点与其粒径的关系，其理想假设后的方程形式如下：

14、其中，、、分别为物质的摩尔熔化热、摩尔质量及密度，通过文献查找上述热力学参数；为表面张力，由于随粒径、温度变化极小，默认表面张力为常数，同时忽略固体表面能中的弹性能，数值上等同密度泛函理论 dft 计算的表面能大小。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果：

16、本发明方法提出了全新的纳米颗粒熔点计算思路，在已有经验理论上构建了通用的纳米颗粒熔点计算模型，具有普适价值，可以推广到相似情景；

17、本发明方法解决了传统经验模型参数化程度低、需要大量实验数据进行拟合修正的不足，采用基于密度泛函理论 dft 计算所需参数的思路，比单纯数据拟合过程更自洽完整、准确度高；

18、本发明方法规避了全程仿真计算熔点思路中的计算代价大、偏离实际值、强烈依赖于仿真参数设置等不足，只需采用计算材料动力学仿真计算关键参数，提高了计算效率，节约了时间和资源；

19、本发明方法全过程不涉及化学品的使用及熔化等实验，不会产生化学污染，符合环保绿色的理念，并且易于操作，成本低。

技术特征：

1.一种基于 pawlow 模型及密度泛函理论的纳米颗粒熔点计算方法，其特征在于，构建相应纳米颗粒的初始晶胞结构。

2.一种基于 pawlow 模型及密度泛函理论的纳米颗粒熔点计算方法，其特征在于，使用广义梯度近似的 perdew-burke-ernzerhof (pbe) 函数进行 dft 计算，对原始晶胞进行几何优化，得到优化后的晶体结构。

3.一种基于 pawlow 模型及密度泛函理论的纳米颗粒熔点计算方法，其特征在于，对优化后的晶体结构进行切面超胞，完全驰豫除固定底面层外的其他层。

4. 一种基于 pawlow 模型及密度泛函理论的纳米颗粒熔点计算方法，其特征在于，系统计算并输出各表面能值，计算出特定晶面的表面能。

5.一种基于 pawlow 模型及密度泛函理论的纳米颗粒熔点计算方法，其特征在于，将上述密度泛函 dft 理论计算的表面能值以及相关参数代入 pawlow 理论模型，建立特定纳米颗粒熔点与粒径的数学模型。

技术总结
纳米颗粒的熔点是对颗粒的烧结过程以及颗粒的生长有着重要的意义，但纳米颗粒的熔点实验测试有很大的困难，本发明公开了一种基于Pawlow模型及密度泛函理论的纳米颗粒熔点计算方法，包括以下步骤：构建初始晶胞结构；使用广义梯度近似PBE函数进行DFT计算，选择合适参数对原始晶胞进行几何优化；对优化后的结构进行切面超胞，完全驰豫除固定底面层外的其他层；系统输出并计算特定晶面的表面能；将计算结果及热力学参数代入Pawlow理论模型，建立特定纳米颗粒熔点与粒径的数学模型。本发明基于经验理论模型及第一性原理计算，构建通用的纳米颗粒熔点计算模型，实现对颗粒生长的过程控制及相变材料加工工艺的调控指导，相较于传统经验公式法及仿真模拟法，准确度高且节约了计算及试验成本，应用情景更广泛。

技术研发人员：姜海波,李春忠,戴月明,周梅芳,曾嘉羲,余盛伟,游一
受保护的技术使用者：华东理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/27