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第一性原理计算判断材料稳定性的几种方法

当我们通过一些方法，如：人工设计、机器学习和结构有哪些信誉好的足球投注网站等,设计出一种新材料的

时候，首先需要做的一件事情就是去判断这个材料是否稳走。如果这个材料不稳

定，那么后续的性能分析就犹如空中楼阁。因此，判断材料是否稳走是材料设计领

域中非常关键的一个坏节。接下来，我们介绍几种通过第一性原理计算判断材料是

否稳定的方法。

01

1结合能

结合能是指原子由自由状态形成化合物所释放的能量，一般默认算出来能量越低越稳

定。对于简单的二元化合物AB(A.B为该化合物中包含的两种元素，为相应原子在

mn

化学式中的数目)，其结合能可表示为：

其中E(ABn)为化学式AmBn的能量,E(A)和E(B)分别为自由原子A和B的能量，Eb

m

越低，越稳定。

02

2.形成能

形成能是指由相应单质合成化合物所釋放的能量。同样，对于二元化合物ABn,

m

其形成能可表示为:

其中和分别为对应单质和归一化后的能量。

E（A）E（B）AB

用能量判断某一材料稳定性的时候，选择形成能可能更符合实际。因为实验合成某一

材料的时候，我们一般使用其组成单质逬行合成。如果想进一步判断该材料是处于稳

态还是亚稳态，那么需要用凸包图（）进行。如图所示，计算已知稳态

convexhull1

，，

AxBy的形成能构成凸包图（红色虚线）其横轴为B在化学式中所占比例，纵轴

为形成能。通过比较考察化合物与红色虚线的相对位置，如果在红色虚线上方则其可

能分解（如：图插图中的,将分解为和）或处于亚稳态（的声子谱没有虚

1DABD

频）；如果在红色虚线下方（如：图插图中的，则该化合物稳定。

1C）

图1:凸包图用于判断亚稳态和稳态［口］］

03

M声子谱

声子谱是表示组成材料原子的集体振动模式。如果材料的原胞包含个原子，那么

n

声子谱总共有支，其中有条声学支，条光学支。声学支表示原胞的整体

3n33n-3

振动，光学支表示原胞内原子间的相对振动。

计算出的声子谱有虚频，往往表示该材料不稳定。因为

其中U）为振动频率，P可理解为弹性常量，E（x）表示原子间相互作用能，x表

示原子偏离平衡位置的位移，为原子质量。由上式可以看出，当为虚频

mco

瞬

＜0

a?

,也就是表示原子平衡位置位于能量的山顶（类似抛物线顶点）。很明显,

处于该平衡位置的原子是不稳定的。

图2单层2H-NbSe2的声子谱[[2]]

有些情况下，我们可以利用虚频信息使不稳走的材料变得稳定。如图所示，单层

2

声子谱的一