一种基于ZnIn2S4的二维能源转换材料设计方法

本发明涉及新型二维能源转换材料的设计与开发领域，具体涉及一种基于znin2s4的二维能源转换材料设计方法。

背景技术：

1、随着当今社会经济的不断发展和人口的持续增长，人类对能源的需求与日俱增。目前人类的能源供给主要依赖于煤、石油、天然气等不可再生能源，能源短缺问题日趋严重，并且化石能源对环境带来的污染也十分严峻。因此为了人类社会的可持续发展，不能只局限于传统化石能源，新型无污染可再生能源的开发与利用迫在眉睫。

2、太阳能是一种近乎取之不尽用之不竭的绿色能源，对太阳能的开发有助于缓解上述人类面对的能源和环境问题。半导体光催化技术能够将太阳能转换为化学能，光伏技术能够将光能转换为电能，光热技术则能够将太阳能转换为热能。但是，现有能源转换材料普遍存在着可见光利用率低的问题。为解决这一问题，研究者们通常通过在元素掺杂、复合结构开发、表面修饰及多尺度形貌控制等手段来改善传统能源转换材料的光吸收能力。除了对现有能源转换材料改性外，研究者们还致力于新型能源转换材料的探索和搜寻。

3、二维材料的高电子迁移率、高比表面积、可变能带结构等特性使其在能源转换领域拥有巨大的应用前景。近年来研究者们已经将目光由三维材料转移到二维材料的设计与开发中。目前研究者们已经合成和制备了一系列二维能源转换材料。

4、传统新材料开发通常以实验为主，通过“炒菜式”方法设计新材料，这种材料开发模式存在实验周期长、成本高等缺点。随着高性能计算机的飞速发展，计算材料设计极大地加速了对光伏材料、光热材料、光催化剂等领域的研究。第一性原理计算可以从电子和原子尺度深入探讨材料内部的电子结构及光吸收特性，节约研发成本，能够为新型二维能源转换材料的开发和设计提供理论指导。

技术实现思路

1、本发明的目的在于促进新型二维能源转换材料的设计与开发，提供了一种基于znin2s4的二维能源转换材料设计方法，包括：

2、（1）构建模型

3、（1a）利用第一性原理建模软件，构建znin2s4块体材料的原胞，并对其进行结构优化，计算基态能量；

4、（1b）利用步骤（1a）得到的优化后的znin2s4块体材料原胞，构建二维znin2s4模型；

5、（1c）在步骤（1b）得到的二维znin2s4材料模型的基础上，建立不同的原子掺杂位点对应的二维znin2s4超晶胞模型；

6、（2）计算模拟

7、（2a）设置适当的计算参数，利用第一性原理计算软件，对步骤（1b）获得的二维znin2s4模型进行结构优化，获得其基态几何结构，计算基态能量；

8、（2b） 利用基态能量计算结果，计算二维znin2s4的剥离能，衡量其热力学稳定性；

9、（2c） 利用步骤（2a）得到的二维znin2s4基态几何结构，计算其声子谱，衡量二维znin2s4模型的动力学稳定性；

10、（2d） 在能量计算的二维znin2s4模型的基础上，设置相关输入文件，利用第一性原理计算软件，计算其能带结构、态密度和光学性质；

11、（2e） 设置适当的计算参数，利用第一性原理计算软件，对步骤（1c）建立的掺杂后的二维znin2s4模型进行结构优化，获得其基态几何结构，计算基态能量；

12、（2f） 在步骤（2e）得到的掺杂二维znin2s4基态几何结构的基础上，计算掺杂二维znin2s4的形成能，衡量其热力学稳定性；

13、（2g） 在步骤（2e）得到的掺杂二维znin2s4基态几何结构的基础上，设置相关输入文件，利用第一性原理计算软件，计算其能带结构、态密度和光学性质；

14、（3）分析结果

15、利用后处理软件，对第一性原理计算结果进行分析，绘制出二维znin2s4及元素掺杂后的znin2s4的能带结构、态密度和光吸收系数，从而得到掺杂原子对二维znin2s4的稳定性、能带结构、态密度及光吸收的影响，获得太阳光谱全吸收的二维znin2s4基能源转换材料。

16、优选地，所述步骤（1b）中，构建二维znin2s4的方法是：

17、利用步骤（1a）得到的优化后的znin2s4块体材料原胞模型，沿001面进行切割，建立厚度为6层原子，且上表层为zn原子及s原子的二维znin2s4模型。

18、优选地，所述步骤（2a）及（2e）中使用pbe方法对二维znin2s4模型及掺杂后的二维znin2s4模型进行结构优化。

19、优选地，其特征在于所述步骤（2d）中采用hse方法计算二维znin2s4的能带结构及态密度。

20、优选地，其特征在于步骤（1c）建立不同的原子掺杂位点对应的二维znin2s4超晶胞模型时采用替位式掺杂替换zn原子，且掺杂元素选取为cd、mg、ca、sr、ba。

21、本发明方法具有如下优点：提供了一种基于znin2s4的二维能源转换材料设计。本发明方法具有周期短、成本低、计算结果准确、效率高、无污染的优点，并且本发明能够为新型二维能源转换材料的实验筛选提供直接的理论指导。此外，本发明还能够促进新型二维能源转换材料的快速发展。

技术特征：

1.一种基于znin2s4的二维能源转换材料设计方法，其特征在于，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于znin2s4的二维能源转换材料设计方法，其特征在于，所述步骤（1b）中，构建二维znin2s4的方法是：

3.根据权利要求1所述的一种二维能源转换材料znin2s4的设计方法，其特征在于所述步骤（2a）及（2e）中使用pbe方法对二维znin2s4模型及掺杂后的二维znin2s4模型进行结构优化。

4.根据权利要求1所述的一种基于znin2s4的二维能源转换材料设计方法，其特征在于所述步骤（2d）中采用hse方法计算二维znin2s4的能带结构及态密度。

5.根据权利要求1所述的一种基于znin2s4的二维能源转换材料设计方法，其特征在于步骤（1c）建立不同的原子掺杂位点对应的二维znin2s4超晶胞模型时采用替位式掺杂替换zn原子，且掺杂元素选取为cd、mg、ca、sr、ba。

技术总结本发明是一种基于ZnIn<subgt;2</subgt;S<subgt;4</subgt;的二维能源转换材料设计方法。所述方法为选择块体ZnIn<subgt;2</subgt;S<subgt;4</subgt;材料，构建结构模型，对结构模型进行优化，计算基态能量；利用优化后的ZnIn<subgt;2</subgt;S<subgt;4</subgt;块体结构模型，构建二维ZnIn<subgt;2</subgt;S<subgt;4</subgt;模型，对二维结构模型进行优化，计算基态能量；计算二维ZnIn<subgt;2</subgt;S<subgt;4</subgt;的剥离能，衡量其热力学稳定性；计算二维ZnIn<subgt;2</subgt;S<subgt;4</subgt;的声子谱，衡量其动力学稳定性；计算二维ZnIn<subgt;2</subgt;S<subgt;4</subgt;的能带结构、态密度及光学性质；通过元素掺杂，优化二维ZnIn<subgt;2</subgt;S<subgt;4</subgt;的稳定性和光学性质，获得太阳光谱全吸收的二维ZnIn<subgt;2</subgt;S<subgt;4</subgt;基功能材料。本发明可避免大量试错实验造成的成本损失，可应用于光催化、太阳能电池、光热材料等与光吸收相关的研究和应用领域。技术研发人员：刘冬艳,肖名辰,娄文博,李学思,张德鹏,张会受保护的技术使用者：沈阳大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14