一种筛选高压电应变系数的二维P-421mXY2材料方法及应用

本发明属于材料定量化设计，具体涉及一种筛选高压电应变系数的二维p21m xy2材料方法及应用。

背景技术：

1、自从石墨烯成功剥离以来，大量的研究致力于探索二维材料的合成和应用。迄今为止，已经发现了多种结构原型的二维材料，包括蜂窝晶格（例如，石墨烯和h-bn）、xenes、过渡金属二硫属化物、mxenes、mbenes、钙钛矿、janus结构和异质结构。随着计算材料科学的快速发展和计算能力的持续提升，研究人员利用各种算法和方法预测了大量的新型二维材料，例如进化算法、粒子群优化、群论和图论方法，以及广泛采用的元素替代策略。这些理论研究不仅显著扩展了二维材料家族，而且为实验合成和应用开发提供了必要的指导，有效地弥合了计算预测与实验实现之间的差距。

2、在各种二维材料中，完全或部分由五边形组成的二维五边形晶格，由于其独特的结构和物理性质而引起了相当大的关注。在二维极限下，这种五边形晶格已在元素、二元和三元体系中以不同的空间群被理论预测，例如，p4bm snn2、p4/mbm hfc、p12m sin2、nin2和rus4。实验进展也证实了这种二维五边形材料的可合成性，成功制备了pdse2、pds2、nin2和pdpse。除了结构多样性，二维五边形晶格还表现出各种有趣的物理现象，例如拉胀行为、铁电性、铁磁性、高效的电催化氮还原活性和二次谐波产生，突显了它们在柔性电子学、自旋电子学、光电子学和催化领域的应用潜力。

3、二维五边形晶格中结构原型和化学计量比的巨大多样性，使得在单项研究中无法全面调查所有可能的构型。在二维五边形晶格可能存在的众多结构原型和化学计量比中，我们在此关注采用p21m xy2（空间群编号113，原胞含z=2个化学式单元）原型的二维五边形相。自从2015年提出二维p21m cc2（五边形-石墨烯）以来，约有36种结晶为二维p21mxy2原型的化合物——包括硼化物（例如，sb2、seb2、teb2）、碳化物（例如，alc2、gec2）、氮化物（例如，sin2、aln2）和硫化物（例如，bes2）——已被理论报道。这些已知的二维五边形p21mxy2相已被发现表现出非常不同的电子性质，显示出半导体、金属甚至铁磁性行为。然而，迄今为止，决定这些性质的基本物理和化学机制仍不清楚。此外，先前确定的结构并未显示出该化学式的元素组合分布模式，通过元素替代可及的化学空间在很大程度上仍未被探索，且该类材料表现出的压电性质亦未被得到深入探索。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种筛选高压电应变系数的二维p421m xy2材料方法及应用。揭示了价电子数、二聚体成键构型与所得电子结构之间的清晰关联关系。这种系统的探索加深了对二维五边形晶格中结构-性能关系的理解，并为设计具有可调性能的多功能二维材料提供了实用的设计指南。

2、本发明的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供一种筛选高压电应变系数的二维p21m xy2材料方法，包括以下步骤：

4、s1、以空间群编号113、原胞z=2的二维五边形p21m xy2结构为原型，其中x和y选自ia族-viia族主族元素，通过元素替代生成多个候选材料；

5、s2、构建第一性原理高通量计算工作流程，对候选材料依次开展结构优化、弹性稳定性筛选、动力学稳定性筛选，得到稳定候选二维p21m xy2材料集合；

6、s3、基于价电子计数与y2二聚体轨道占据关系对稳定候选二维p21m xy2材料集合开展初筛，筛选得到价电子为10、12、14的半导体相材料；

7、s4、采用第一性原理密度泛函微扰理论，计算半导体相材料的剪切弹性常数、压电应力系数，进而获得面外压电应变系数；

8、s5、根据面外压电应变系数大小进行筛选，得到具有高压电应变系数的二维p21mxy2目标材料。

9、进一步优化，所述步骤s2中，结构优化保持p21m对称性，剔除优化后不能维持二维x2y3五边形骨架的候选材料，通过弹性张量计算评估稳定候选二维p21m xy2材料集合的弹性稳定性，通过声子色散曲线无虚频进行判定。

10、进一步优化，所述步骤s2中，还包括热力学稳定性校验：依据内聚能计算公式计算二维晶胞p21m xy2的内聚能，筛选内聚能处于2.3～5.4ev/原子区间的候选材料。

11、进一步优化，所述步骤s3中，价电子计数与y2二聚体轨道占据关系为：每个xy2化学式均对应价电子数10、11、12、13、14中的一种：其中具有10、12和14个价电子的二维p21mxy2材料表现出半导体导电性；而具有11和13个价电子的二维p21m xy2材料表现出金属性或铁磁性行为，将其排出压电初筛集合。

12、进一步优化，所述步骤s4中，第一性原理计算在密度泛函理论框架内，使用维也纳从头计算模拟包vasp实现，采用密度泛函微扰理论计算半导体材料的剪切弹性常数c66、压电应力系数e36，由以下公式计算压电应变系数d36：

13、。

14、进一步优化，所述步骤s5中，所述高压电应变系数为18-60 pm/v，筛选得到p21msnbi2、p21m gebi2、p21m tege2和p21m pbbi2中的至少一种目标材料。

15、进一步优化，还包括对筛选得到的目标材料开展压电起源分析：基于y2二聚体轨道占据的晶体轨道方法，从压电应力张量、剪切模量、原子极化率和立体化学活性孤对电子角度，解析目标材料高面外压电响应的物理机制。

16、第二方面，本发明提供如一种筛选高压电应变系数的二维p21m xy2材料方法中任一项得到的二维p21m xy2压电材料。

17、第三方面，本发明提供如一种二维p21m xy2材料在柔性电子和剪切模式压电器件中的应用。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

19、本发明基于价电子计数结合y2二聚体轨道占据的内在关联，建立了一套高通量筛选高压电应变系数二维p21m xy2材料的方法，相比传统试错式理论预测方式，能够快速缩小候选材料范围，减少大量无意义第一性原理计算，提升新型二维压电材料的发掘效率。本发明筛选得到的snbi2、gebi2、tege2、pbbi2等二维材料，具备18-60pm/v的高面外压电应变系数，显著高于已报道的多数五边形二维压电材料。该类材料依靠低剪切模量、大压电应力张量以及立体化学活性孤对电子的协同作用获得优异剪切模式压电响应，可适配超薄二维器件的应用需求。本发明厘清了该类二维五边形材料价电子、二聚体成键与压电性能之间的构效关系，为定向设计可调压电性能的二维材料提供理论指导。筛选获得的高压电二维材料可应用于柔性电子与剪切模式压电器件，在可穿戴设备、软体机器人、表面声波器件等领域具备应用前景；同时所确定的范德华外延制备方案，降低实验合成对晶格匹配的严苛要求，有利于推动该类二维压电材料后续的实验制备与器件化落地。

1.一种筛选高压电应变系数的二维p21m xy2材料方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的筛选方法，其特征在于，所述步骤s2中，结构优化保持p21m对称性，剔除优化后不能维持二维x2y3五边形骨架的候选材料，通过弹性张量计算评估稳定候选二维p21m xy2材料集合的弹性稳定性，通过声子色散曲线无虚频进行判定。

3.根据权利要求1所述的筛选方法，其特征在于，所述步骤s2中，还包括热力学稳定性校验：依据内聚能计算公式计算候选材料的内聚能，筛选内聚能处于2.3～5.4 ev/原子区间的候选材料。

4.根据权利要求1所述的筛选方法，其特征在于，所述步骤s3中，价电子计数与y2二聚体轨道占据关系为：每个xy2化学式均对应价电子数10、11、12、13、14中的一种：其中具有10、12和14个价电子的二维p21m xy2材料表现出半导体导电性；而具有11和13个价电子的二维p21m xy2材料表现出金属性或铁磁性行为，将其排出压电初筛集合。

5.根据权利要求1所述的筛选方法，其特征在于，所述步骤s4中，第一性原理计算在密度泛函理论框架内，使用维也纳从头计算模拟包vasp实现，采用密度泛函微扰理论计算半导体材料的剪切弹性常数c66、压电应力系数e36，由以下公式计算压电应变系数d36：

6.根据权利要求1所述的筛选方法，其特征在于，所述步骤s5中，所述高压电应变系数为18～60 pm/v，筛选得到p21m snbi2、p21m gebi2、p21m tege2和p21m pbbi2中的至少一种目标材料。

7.根据权利要求1所述的筛选方法，其特征在于，还包括对筛选得到的目标材料开展压电起源分析：基于y2二聚体轨道占据的晶体轨道方法，从压电应力张量、剪切模量、原子极化率和立体化学活性孤对电子角度，解析目标材料高面外压电响应的物理机制。

8.一种由权利要求1-7任一项所述筛选方法得到的筛选高压电应变系数的二维p21mxy2材料。

9.一种如权利要求8所述的筛选高压电应变系数的二维p21m xy2材料在柔性电子和剪切模式压电器件中的应用。