一种石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法

本发明属于石英提纯，具体涉及一种石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法。

背景技术：

1、超纯石英砂制备过程的本质就是杂质的去除，晶格杂质的去除是5n级超纯砂制备的关键，微量元素杂质在实际矿物中分布极不均匀，且目前用于定量分析石英中元素浓度的离子质谱仪(la-icp-ms)、二次离子质谱仪(sims)和电子探针波谱仪(epma-wds)等测试方法均存在测量精度不够、测量结果不够准确等问题。

2、现有技术中，专利cn113029855b公开一种石英晶格杂质元素偏聚分布的分析方法，通过近似计算石英中晶格微量杂质元素的偏聚浓度，克服了无法精确测量晶格杂质金属元素的难题，但是却缺乏对其去除路径和速度的直观展示和对比,无法为工业生产提供具有实际意义的指导。因此，一种直观展示二氧化硅晶胞中杂质元素的去除路径和去除速度，评估石英各类晶格杂质元素的去除难易程度的方法，是本领域研究人员的迫切需求。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法，解决现有分析方法无法直观评估石英中晶格杂质去除难易程度的技术缺陷。

2、本发明的技术方案是按以下方式实现的：

3、本发明提供一种石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法，包括如下步骤：

4、s1.获取石英中晶格杂质元素的种类和分布情况；

5、s2.根据晶格杂质元素的种类和分布情况构建掺杂石英晶胞模型，并对掺杂石英晶胞模型进行几何优化，得到优化后的掺杂石英晶胞模型；

6、s3.对优化后的掺杂石英晶胞模型进行动力学计算，得到轨迹模型；

7、s4.根据轨迹模型获得所述杂质元素的迁移路径和迁移速率；

8、s5.根据杂质元素的迁移路径或迁移速率，评估石英晶格杂质的去除难易程度。

9、优选的，步骤s1中，对石英原料样品进行la-icp-ms检测，得到石英中晶格杂质元素的种类和分布情况。

10、优选的，晶格杂质元素包括li、b、na、mg、al、k、ca、ti、cr、mn、fe、ni、cu中的一种或多种。

11、优选的，步骤s2中，掺杂石英晶胞模型的构建方法为：在materials studio软件中通过build模块中的crystal功能构建石英晶胞，再根据晶格杂质元素的种类和分布情况，将石英晶胞中相应位置的si原子替换为相应的杂质元素或将杂质元素置于石英的晶格间隙中。

12、优选的，步骤s2中，在materials studio软件的castep模块中gga泛函的pw91修正下，以截断能和k点取值作为优化参数对掺杂石英晶胞模型进行几何优化。

13、优选的，截断能为380ev，k点取值为5×5×5。

14、优选的，步骤s3中，采用materials studio软件中castep模块的dynamics功能对优化后的掺杂石英晶胞模型进行npt系综的动力学计算。

15、优选的，npt系综中的温度为846.15k，压力为0.0001gpa。

16、优选的，步骤s4中，在轨迹模型中选中某个杂质元素后，利用analysis功能中的mean square displacement工具计算杂质元素的迁移速率，计算式如下：

17、

18、式中，v为杂质元素的迁移速率，单位为m2·s-1；msd为mean squaredisplacement工具得到的杂质元素的均方位移，单位为m2；t为迁移时间，单位为s。

19、优选的，步骤s4中，利用animation mode工具在不同时刻下对轨迹模型进行实时输出，得到多个实时模型；根据实时模型的输出顺序进行排序，得到杂质元素的迁移路径。

20、本发明的有益效果是：

21、本发明根据石英中的晶格杂质元素种类和分布构建掺杂石英晶胞模型，之后对优化后的掺杂石英晶胞模型进行动力学计算得到轨迹模型，根据轨迹模型可以从原子级别计算出石英提纯过程，尤其是焙烧过程中晶格杂质的迁移路径和迁移速率，直观地评估石英各类晶格杂质元素的去除难易程度，为石英中晶格杂质的去除提供理论依据，提高生产效率，降低生产难度。

技术特征：

1.一种石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法，其特征在于，步骤s1中，对石英原料样品进行la-icp-ms检测，得到石英中晶格杂质元素的种类和分布情况。

3.根据权利要求2所述的石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法，其特征在于，所述晶格杂质元素包括li、b、na、mg、al、k、ca、ti、cr、mn、fe、ni、cu中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的石英晶格杂质迁移速率的计算方法，其特征在于，步骤s2中，所述掺杂石英晶胞模型的构建方法为：在materials studio软件中通过build模块中的crystal功能构建石英晶胞，再根据所述晶格杂质元素的种类和分布情况，将石英晶胞中相应位置的si原子替换为相应的杂质元素或将所述杂质元素置于石英的晶格间隙中。

5.根据权利要求1所述的石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法，其特征在于，步骤s2中，在materials studio软件的castep模块中gga泛函的pw91修正下，以截断能和k点取值作为优化参数对所述掺杂石英晶胞模型进行几何优化。

6.根据权利要求5所述的石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法，其特征在于，所述截断能为380ev，k点取值为5×5×5。

7.根据权利要求1所述的石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法，其特征在于，步骤s3中，采用materials studio软件中castep模块的dynamics功能对所述优化后的掺杂石英晶胞模型进行npt系综的动力学计算。

8.根据权利要求7所述的石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法，其特征在于，所述npt系综中的温度为846.15k，压力为0.0001gpa。

9.根据权利要求1所述的石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法，其特征在于，步骤s4中，在所述轨迹模型中选中某个杂质元素后，利用analysis功能中的mean squaredisplacement工具计算所述杂质元素的迁移速率，计算式如下：

10.根据权利要求1所述的石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法，其特征在于，步骤s4中，利用animation mode工具在不同时刻下对所述轨迹模型进行实时输出，得到多个实时模型；根据所述实时模型的输出顺序进行排序，得到所述杂质元素的迁移路径。

技术总结本发明公开了一种石英晶格杂质迁移路径和迁移速率的计算方法，包括如下步骤：获取石英中晶格杂质元素的种类和分布；根据晶格杂质元素的种类和分布构建掺杂石英晶胞模型，并对掺杂石英晶胞模型进行几何优化；对优化后的掺杂石英晶胞模型进行动力学计算，得到轨迹模型；根据轨迹模型获得杂质元素的迁移路径和迁移速率；根据杂质元素的迁移路径或迁移速率，评估石英晶格杂质的去除难易程度。本发明在获取石英中的晶格杂质元素种类和分布后，建立相应的掺杂石英晶胞模型并对模型进行几何优化，进一步进行动力学计算获得轨迹模型，计算出杂质迁移速率，可以从原子级别计算出5N级超纯石英提纯过程，能够更直观的展示石英中晶格杂质的去除难易程度。技术研发人员：李育彪,向丞睿,魏桢伦受保护的技术使用者：武汉理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11