一种各向异性二维半导体材料的仿真设计方法及其应用

本发明涉及二维材料的设计与应用，具体涉及一种各向异性二维半导体材料的仿真设计方法及其应用。

背景技术：

1、面内各向异性二维材料(以下简称各向异性二维材料)因其各向异性的能带结构及其丰富的原子排列而具有独特的电子性质和光学性质各向异性。这为它们在器件设计中提供了额外的自由度，使其有望在偏振敏感纳米器件领域被广泛应用，特别是基于各向异性二维材料的偏振敏感光电探测器。与传统的薄膜光电探测器相比，在高灵敏度和远程检测方面都有很大优势。各向异性二维材料在偏振敏感纳米器件领域巨大的应用潜力使之迅速成为一种诱人的纳米材料，成为当前的研究热点之一。现有技术中，并没有对二维材料结构与电子和光学性质各向异性之间的联系进行分析的方法。

2、由于实验的不确定性和实验条件的限制，想要发现新型二维五边形各向异性材料将是一个复杂而漫长的过程；但是理论计算可以通过仿真设计一种新材料，计算其性质来发现新型二维五边形各向异性材料；从而为实验研究提供指导和理论依据，减少实验过程中的盲目性；但是，在通过理论构建计算的过程中，如何构建得到一个简单易操作的，重复性好并且准确率高的二维五边形各向异性材料是现在研究二维五边形各向异性材料中一个较大的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可用于偏振敏感器件各向异性二维半导体材料的仿真设计方法，以实验合成的二维五边形pdse2单胞为基础，将结构中pd、se元素分别进行同族元素的替换，将单胞移动位置，使金属元素正好位于单胞的四个顶点和中心位置。从而得到二维五边形ptsete材料，在整个过程中不涉及化学药品，不会产生污染；同时成本低，操作简单易于实现，重复性好并且准确率高，能为后续的实验提供有价值的理论研究基础。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、一种各向异性二维半导体材料的仿真设计方法，包括以下步骤：

4、s1：使用materials studio软件对pdse2晶体结构进行初步构建；

5、s2：将pdse2单胞结构导入到结构设计软件中，并调整原胞结构的真空层至使其在后续的设计中不受上下层的周期性影响；

6、s3：将s2中的结构的pd元素替换为第ⅷ族的元素；

7、s4：将s3中替换后得到的结构中的se元素替换为其他的第ⅳ主族元素；

8、s5：将s4中的得到的结构整体平移，使金属原子正好位于单胞的单胞的四个顶点和中心位置，由于不同原子间作用力不同，使其在结构上符合各向异性材料的特性；

9、s6：将s5得到的结构利用vasp软件进行进一步进行优化设计，完成二维五边形各向异性材料的仿真设计。

10、进一步的，所述步骤s6包括以下子步骤：

11、s6.1：采用超软赝势来描述电子-离子间相互作用，交换-关联泛函采用局域密度近似描述，布里渊区k点采样采用monkhorst-pack方案，对结构进行优化；

12、s6.2：所述s6.1中结构优化主要参数的精度设置为：平面波截止能设置为500ev，布里渊区k点选取为10×10×1；并对模拟的结构几何形状进行了充分优化，能量和力的收敛容差分别小于10-7ev和

13、另一方面，本发明提出上述方法在偏振敏感器件设计研究中的应用。

14、本发明的有益效果：

15、本发明提出了各向异性二维半导体材料的仿真设计方法及其应用，从微观尺度将理论计算与实验相结合，通过构建模型，采用理论模拟的方法能够深入原子量级对复杂体系进行研究，本发明以二维五边形pdse2单层原胞结构原型，构建新型二维五边形各向异性材料的结构，在构建得到结构符合五边形各向异性之后，利用vasp软件进一步进行优化设计，优化时采用超软赝势来描述电子-离子间相互作用，交换-关联泛函采用局域密度近似描述，布里渊区k点采样采用monkhorst-pack方案，对结构进行优化最终得到，二维层状五边形各向异性仿真材料。

16、理论模拟的方法是将多个原子构成的体系看成是由多个电子和原子核组成的系统，并根据量子力学的基本原理对问题进行最大限度的“非经验性”处理。它只需要基本常数就可以计算出体系的能量和电子结构等物理性质。

17、本发明的理论模拟的方法使用量子力学，实现微观尺度，并且不受实验条件的限制，极大地节省了实验成本，是现阶段解决实验理论问题和预测新材料结构性能的有力工具。此外操作简单、成本低、准确性高且重复性好，还能为后续的实验提供有价值的理论研究基础；具体的：

18、1.提供了针对各向异性二维材料的仿真设计方法：

19、本发明通过结合materials studio软件和vasp软件，提供了一种针对各向异性二维材料的综合仿真设计方法。在materials studio软件中，使用晶体结构构建工具对pdse2晶体结构进行初步构建，并调整其真空层至以避免上下层之间的相互影响。然后，将导入的结构通过替换和平移优化等步骤，实现各向异性二维材料的设计。最后，通过vasp软件进行电子结构计算和优化，得到准确的物理性质数据和结构参数。

20、2.解决了对各向异性材料的设计和调控方法不足的问题：

21、现有的技术在对各向异性材料的设计和调控方面存在一些不足，如缺乏针对不同材料的具体分析方法和操作流程。本发明通过使用同族元素替换和平移优化等步骤，解决了这些问题。在替换元素的过程中，选择同族元素进行替换，如将pd替换为pt，将se替换为te，以调控材料的电子性质和光学性质。通过平移优化步骤，可以将金属原子移动到单胞的特定位置，实现各向异性材料的设计。这些操作流程的设计和应用，弥补了现有技术中对于各向异性材料的设计和调控方法不足的问题。

22、3.为后续偏振敏感器件的设计提供了理论研究基础：

23、各向异性二维材料具有独特的电子和光学性质，对于偏振敏感器件的设计具有重要意义。本发明通过提供针对各向异性材料的综合仿真设计方法，为后续偏振敏感器件的设计提供了理论研究基础。通过替换和平移优化等步骤，能够定向控制和调控材料的各向异性性质，为偏振敏感器件的设计提供有价值的参考。

24、4.操作简单易于实现且具有高准确率：

25、本技术方案使用常见的材料模拟软件，操作简单易于实现。在materials studio软件中，可以通过直观的图形界面进行晶体结构的构建、替换和平移优化等操作。而vasp软件则提供了先进的第一性原理计算方法，通过调整参数和优化几何形态，可以得到准确的电子结构和力学性质结果。这些操作的简单性和准确性，使本发明成为一种实用的工具，可以在不同的研究和应用场景中得到广泛使用。

26、综上所述，本发明通过针对各向异性二维材料的综合仿真设计方法，解决了现有技术中缺乏针对各向异性材料结构与性质关联的分析方法的问题。通过同族元素替换和平移优化等步骤，实现了对各向异性材料的设计和调控。通过该方法为后续偏振敏感器件的设计提供了理论研究基础，并且操作简单易于实现且具有高准确率，有助于推动各向异性二维材料的实际应用和性能优化。

27、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。