一种Pd-Ir双金属纳米团簇结构分步优化方法

一种pd-ir双金属纳米团簇结构分步优化方法
技术领域
1.本发明属于纳米技术领域，涉及一种pd-ir双金属纳米团簇结构分步优化方法。


背景技术：

2.金属纳米团簇的几何结构在很大程度上决定了它的光、电、磁性、催化等物理和化学性质；因此，优化与预测金属纳米团簇的稳定结构是研究其诸多特性的基础，也是金属纳米团簇研究领域中的关键环节。目前，由于实验方法精确表征纳米团簇结构的困难,理论计算就成为研究团簇结构的主要手段。理论上，主要从两个角度来描述纳米团簇的结构。一种是电子结构的角度，例如基于量子力学的计算方法(dft计算，从头算等)都是从电子结构的角度来描述纳米团簇结构。传统的理论计算方法如第一性原理计算，因计算过程复杂、计算量非常大，只能研究尺寸较小和某些具有特定对称性的纳米团簇，具有明显的局限性。另一种是经验势函数的角度，如通过对势(如l-j势能)和多体势(如eam势)等来描述原子的位置信息从而获得团簇的结构。因此,发展高性能的计算方法对纳米团簇的结构研究具有非常重要的理论意义。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种pd-ir双金属纳米团簇结构分步优化方法。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种pd-ir双金属纳米团簇结构分步优化方法，该方法包括以下步骤：
6.s1：设置待优化的双金属团簇尺寸和构成金属纳米团簇的金属原子种类；
7.s2：以系统时间戳为随机数种子，在半径为r0的球类或者边长为r的正方体内，随机生成原子总数为n的双金属纳米团簇群，所产生的金属团簇种群有n个具有对称性的金属原子构成，两种金属团簇的原子个数之比由s1给出；
8.s3：考虑采用单金属最优结构作为初始结构的部分候选解，一部分利用s2中随机生成部分解；
9.s4：通过basinhopping算法，简称bh算法，对随机生成的初始结构进行局部优化，采用gupta势函数计算双金属能量；结合蒙特卡洛随机扰动算法，初步筛选局部最优解；
10.s5：通过遗传算法对局部最优结构进行有序处理，再进行选择，交叉，变异操作；
11.s6：计算所有个体局部最优解的势能函数值，并按能量高低进行排序，然后采用轮盘赌策略选择两个个体用于后面的交叉、变异操作，在进行后面的操作之前，需要将选中的两个个体按照目前所有种群中能量最低的个体的方向进行调整，与pso算法中鸟群觅食的方式相同；
12.s7：采用球切的方式进行交叉；对选择阶段选出的两个个体p1和p2，通过固定其坐标位置，找出每个个体的质心，然后以质心为球心，以相同的半径对两个个体进行球切，将每个个体分成球内和球外两个部分；最后将个体p1的球内部分与p2的球外部分结合形成两个新个体，或者最后将个体p1的球外部分与p2的球内部分结合形成两个新个体；
13.s8：以较低的概率对交叉操作产生的新个体进行变异操作；具体为对个体中的所有原子以0.02的概率进行坐标位置的随机变化，原子的变化范围与其当前坐标有关；
14.s9：将新产生的个体与当前局部最优个体进行比较，若新个体优于当前局部最优个体，则用新个体替换当前种群中适应度最差的个体；
15.s10：利用bhga算法对合金团簇的结构进行初步优化后，采用dft计算对一系列候选解优化，获得稳定构型。
16.可选的，所述s2包括以下步骤：
17.s21：限定金属原子生成的区域；
18.s22：指定生成的金属团簇尺寸及两种原子的数量个数；
19.s23：在指定半径球内随机生成3*n个原子坐标；
20.s24：初始结构的限制条件如下式所示：
[0021][0022][0023]rci
是原子i对应的共价半径。
[0024]
可选的，所述s3包括以下步骤：
[0025]
s31：在算法的初始化阶段，通过采用结构随机初始化方法和引入单金属团簇最优结构作为初始解；
[0026]
s32：将初始结构的个体数量30个进行划分，1～10个和10～20个分别为单金属的最优结构，20～30个则采用随机生成结构。
[0027]
可选的，所述s4包括以下步骤：
[0028]
s41：采用gupta势函数计算能量，并利用最陡下降法进行优化，在多个局部最小值中用bh算法进行跳跃，实现全局的搜索；
[0029]
s42：通过设置势函数梯度小于10-6和迭代次数作为最陡下降法的限制条件；
[0030]
s43：所采用gupta表达式如下式所示：
[0031][0032]
其中r
ij
表示原子i与原子j之间的距离，r0表示两原子间的特征长度，用块状材料的第一近邻距离表示，a0代表晶格参数；a
ij
表示原子间排斥强度系数，ξ
ij
表示跳跃积分，其取值由原子类型决定。
[0033]
可选的，所述s7包括以下步骤：
[0034]
s71：将父代个体和扰动个体的质心放置到坐标原点并选择一个经过原点的平面；这个平面将父代个体和扰动个体各切成两部分，若被切成的两部分恰好各拥有为l和n-l个原子，则交换两个具有相同原子数的部分结构，从而拼接成新的团簇；否则，对选择的平面进行旋转，直到能够把两个父代个体切出的两部分拥有相同的原子数；
[0035]
s72：假设两个父代个体p1，p2，球切交叉法通过计算各个父代个体的球心和半径，选出一个切球面，利用切球面代替切平面来实现父代个体的剪切和拼接；切球面将父代个体分成球内和球外两部分，如果两个父代个体的球内部分恰好具有相同的原子数，则交换球内部分产生新的子代个体又称为试验个体，即子代个体是由p1的球内部分和p2的球外部分组成。
[0036]
可选的，所述s10包括以下步骤：
[0037]
s101：在dft计算方法中，采用的软件包是分子动力学模拟软件包vasp，是基于dft并利用平面波赝势方法进行从头算的软件；在vasp中，对价电子与离子实之间的相互作用采用投影缀加投影波方法paw来描述；
[0038]
s102：通过将团簇放在一个足够大的超晶胞中，确保有的真空分离；所有候选构型都采用dft方法局部优化，构型中的所有原子都做驰豫，直到原子间的相互作用力小于计算结束的条件是体系的总能量收敛到10-6
ev，即达到电子基态的标准。
[0039]
本发明的有益效果在于：本发明从智能计算的角度出发，针对物理、化学等领域亟需解决的纳米团簇结构优化问题，研究发明一种bhga结合dft的双金属纳米图簇结构优化方法，兼容准确性搞，收敛性好，计算小。
[0040]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0042]
图1为本发明详细流程图；
[0043]
图2为本发明流程图；
[0044]
图3为本发明优化后pd32ir6的能量收敛图；
[0045]
图4为本发明中采用的球切交叉过程示意图；
[0046]
图5为本发明中pd32ir6的图簇结构图。
具体实施方式
[0047]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0048]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不
代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0049]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0050]
请参阅图1～图5，设置原子种类为pd和ir原子，包含n个原子的二合金pdmirn团簇，用数字i对这n个原子编号，1≤i≤n；用ti标记第i个原子的类型，其中ti＝0表示第i个原子的类型为pd，ti＝1表示第i个原子的类型为ir。势函数模型选用gupta，gupta是一种经验上的多体势，它是基于紧束缚模型中电子态密度的二阶矩近似。它包含一个吸引的有效带项和一个排斥对势。gupta电势来自于gupta的表达式，最初用于模拟过渡金属，但它也被证明适用于贵金属。这种潜力已被广泛应用于过渡团簇和贵金属团簇的建模。
[0051]
局部优化采用bh算法，标准的bh算法结合了mc算法。对于内嵌的局部优化采用最陡梯度下降法，局部最小值之间利用mc随机扰动，使其跳出跳出局部最小值，但由于标准bh算法存在两个不利条件，引入的随机扰动减慢了收敛速度，而有限的扰动振幅限制了系统克服势垒的能力。本发明将bh算法与遗传算法(ga)进行结合，并利用球切交叉方式，可以大大提高收敛速度。
[0052]
具体实例1
[0053]
设置金属纳米团簇的初始个体为30，最大迭代次数为200次，独立实验次数为10次，执行本发明，得到pd
38
图簇稳定结构以及能量-131.7478ev。
[0054]
具体实例2
[0055]
设置金属纳米团簇的初始个体为30，最大迭代次数为200次，独立实验次数为10次，执行本发明，ir
38
团簇稳定结构以及能量-212.0733ev。
[0056]
具体实例3
[0057]
设置金属纳米团簇的初始个体为30，pd原子数量与ir原子数量比为32:6,最大迭代次数为200次，独立实验次数为10次，执行本发明，得到pd
32
ir6的稳定结构以及能量-149.2680ev。
[0058]
具体实例4
[0059]
设置金属纳米团簇的初始个体为30，pd原子数量与ir原子数量比为6:32,最大迭代次数为200次，独立实验次数为10次，执行本发明，得到pd6ir
32
的稳定结构以及能量-201.1402ev。
[0060]
具体实例5
[0061]
设置金属纳米团簇的初始个体为30，pd原子数量与ir原子数量比为19:19,最大迭代次数为200次，独立实验次数为10次，执行本发明，得到pd
19
ir
19
的稳定结构以及能量-176.9405ev。
[0062]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技
术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。