超晶格材料原子尺度建模

前言

虽然异质结的建模攻略很多，但大都以Material Studio为主，且对象是表界面。对于周期性的超晶格材料的建模，特别是异质结情况，参考较少，这里我分享一下个人的经验。采用ASE进行建模。

异质结的两种材料接触时，哪两个面间的接触，是需要确定的，比如说，根据实验确定，又或者无实验时，根据晶格匹配度确定，尽量保证失配度较低。

这里，假设已经确定了，两个材料的晶胞要沿着z轴堆叠。

整体思路：

1.确定好要合并的两个晶格的具体结构（用translate平移，surface切面，这个顺序好像也能反过来）

2.合并晶格（stack用起来还是蛮需要经验的）

如何切一个晶面，并生成周期性结构

from ase.build import surface,stack,make_supercell
from ase.io import read,write
from ase.io.vasp import write_vasp

BiTe = read('POSCAR_BiTe')
BiTe = make_supercell(BiTe,P=[[2,0,0],[0,1,0],[0,0,1]])
BiTe1 = BiTe.copy()
BiTe2 = BiTe.copy()
BiTe2.translate([0,0,-2.05985])
BiTe3 = BiTe.copy()
BiTe3.translate([0,0,-3.79553])

BiTe1 = surface(BiTe1,indices=(0,0,1),layers=1,periodic=True)
BiTe2 = surface(BiTe2,indices=(0,0,1),layers=1,periodic=True)
BiTe3 = surface(BiTe3,indices=(0,0,1),layers=1,periodic=True)
write_vasp('POSCAR_BiTe1',BiTe1,direct=True,sort=True)
write_vasp('POSCAR_BiTe2',BiTe2,direct=True,sort=True)
write_vasp('POSCAR_BiTe3',BiTe3,direct=True,sort=True)

ase的surface函数可以很简单的实现，这里不赘述了。

此外，关于如何确定一个合适的新晶格的大小，也有很多视频讲解，不再赘述。

改变晶体结构的原子层顺序

即便是只有一种原子的晶体，其沿某个面的堆垛的时候，可能有不同的层。比如FCC晶体沿001面的堆垛方式就是—ABAB—，显然与别的物质形成异质结时，会面临一个问题，即是A面还是B面与别的物质接触。

我们建模时，需要把A面或B面调整出来。这需要对原子进行整体位移

此外，异质结平面内的原子对齐（比如说xy面），也需要对原子进行整体位移。

而ASE实现原子整体位移非常简单，只需要用atoms类的translate方法即可，注意使用绝对坐标。

from ase.build import surface,stack,make_supercell
from ase.io import read,write
from ase.io.vasp import write_vasp

BiTe = read('POSCAR_BiTe')
BiTe = make_supercell(BiTe,P=[[2,0,0],[0,1,0],[0,0,1]])
BiTe1 = BiTe.copy()
BiTe2 = BiTe.copy()
BiTe2.translate([0,0,-2.05985])
BiTe3 = BiTe.copy()
BiTe3.translate([0,0,-3.79553])

ASE实现超晶格材料建模

from ase.build import surface,stack,make_supercell
from ase.io import read,write
from ase.io.vasp import write_vasp

BiTe1 = read('POSCAR_BiTe1')
BiTe2 = read('POSCAR_BiTe2')
BiTe3 = read('POSCAR_BiTe3')

Ag = make_supercell(read('POSCAR_Ag'),P=[[2,0,0],[0,2,0],[0,0,3]])
BiTe1_Ag = stack(Ag,BiTe1,axis=2,fix=0.5)
BiTe2_Ag = stack(Ag,BiTe2,axis=2,fix=0.5)
BiTe3_Ag = stack(Ag,BiTe3,axis=2,fix=0.5)

write('POSCAR_BiTe1_Ag',BiTe1_Ag,format='vasp')
write('POSCAR_BiTe2_Ag',BiTe2_Ag,format='vasp')
write('POSCAR_BiTe3_Ag',BiTe3_Ag,format='vasp')

关于ase中stack函数的原理。

将两个周期性的晶胞合并成一个周期性的晶胞，有一个必须要面对的问题，那就是接触面将不再有周期性。

简单来讲，原本的四个周期性面，现在仅剩余两个。

然后，作为晶体结构文件的惯例，我们总是把原子放在周期性面上，即晶格边缘处，这样在显示时，会有重复显示的情况。

具体来讲，如图，红色格子和蓝色格子，其实只有两层原子，一层z坐标为0.0（分坐标），一层z为0.5，但显示时，z为1的情况也因为周期性显示出来了。

stack合并时，其实是把蓝色格子，（也就是第一个atoms对象），它的z=1的周期性面，保留到了最上方，即good情况。

那么什么是坏情况呢，坏情况是，红色格子的晶体结构文件中，两层原子坐标为z=0.0，z=1.0。

这种bad情况就会导致提到上方的红色原子与蓝色原子出现在同一平面上，不是我们期望的情况。

关于distance在控制些什么

distance其实是控制两个接触面间异质结原子的最小距离，会影响最终cell的z方向尺寸以及对原子进行微扰，所以最上和最下的两个面上的对称原子可能由于周期性，变成一层。