(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211045327.1 (22)申请日 2022.08.30 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 易敏　何薇薇　薛明　 (74)专利代理 机构 南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 专利代理师 张弛 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种二维磁体磁热效应的多尺度计算方法 及系统 (57)摘要 本发明公开了一种二维磁体磁热效应的多 尺度计算方法及系统， 通过密度泛函理论、 原子 自旋及磁热效应相关的热力学知识相结合， 使 得 仅依据二维磁体的晶体结构， 实现二维磁体材料 的逐级计算， 在电子层次、 原 子层次、 宏观热力学 层次逐级计算后获取到相关磁性能和磁热性能 的评价指标， 最终预测结果 准确可靠 。 权利要求书3页 说明书8页 附图4页 CN 115455677 A 2022.12.09 CN 115455677 A 1.一种二维磁 体磁热效应的多尺度计算方法， 其特 征在于， 包 含以下步骤： 步骤1： 建立 二维磁体的晶体结构； 步骤2： 基于二维磁体的晶体结构， 使用软件包VASP对二维磁体的晶体结构进行计算， 获得原子磁矩、 磁晶各向异性能、 磁交换系数； 步骤3： 结合原子磁矩、 磁晶各向异性能、 磁交换系数， 使用软件包VAMPIRE计算二维磁 体在固定温度下随磁场强度变化的磁化强度； 步骤4： 通过引入磁场作用的热力学函数和Maxwell关系式， 推导磁热效应的评价指标， 即等温磁熵变和绝热温变， 利用公式计算外加磁场对应的等温磁熵变和绝热温变数值。 2.根据权利要求1所述的二维磁体磁热效应的多尺度计算方法， 其特征在于， 步骤1中， 二维磁体的范围包括但不限于CrX3(X＝F,Cl,Br,I)、 CrAX(A＝O,S,Se； X＝F,Cl,Br,I)、 VA2Z4(A＝Si,Ge； Z＝ N,P,As)。 3.根据权利要求1所述的二维磁体磁热效应的多尺度计算方法， 其特征在于， 步骤2中， 包含以下步骤： 步骤2‑1： 使用软件包VASP对二维磁体的晶体结构进行弛豫计算及自洽计算， 获取原子 磁矩； 步骤2‑2： 经自洽计算的优化后， 结合自旋轨道耦合， 通过非共线性计算获取不同方向 的能量差值， 得到磁晶各向异性能； 步骤2‑3： 根据胞内磁性原子外层电子的自旋方向确定不同磁构型， 通过自洽计算获取 对应磁构型的基态能量和磁性原子磁矩， 并根据原子自旋的哈密顿量方程建立能量和磁交 换系数的关系式， 同时结合对应 磁构型的基态能量， 计算得到二维磁 体的磁交换系数。 4.根据权利要求1所述的二维磁体磁热效应的多尺度计算方法， 其特征在于， 步骤3 中， 包含以下步骤： 步骤3‑1： 基于原子磁矩、 磁晶各向异性能、 磁交换系数， 使用软件包VAMPIRE创建二维 磁体相关文件； 步骤3‑2： 基于蒙特卡洛算法， 计算二维磁体在一定温度 区间内， 磁化强度随温度变化 的对应关系， 并对其 求导确定二维磁 体的居里温度； 步骤3‑4： 基于原子自旋动力学计算二维磁体在固定温度下， 磁化强度随磁场强度变化 的对应关系。 5.根据权利要求1所述的二维磁体磁热效应的多尺度计算方法， 其特征在于， 步骤4中， 包含以下步骤： 步骤4‑1： 根据能量守恒原理， 将磁热效应引入热力学系统， 并对吉布斯函数进行微分 处理； 步骤4‑2： 通过吉布斯函数的微分表达式获得熵和磁化强度的表达 式， 并对熵和磁化强 度求二阶导数， 获得磁性 参量相关的Maxwel l关系式； 步骤4‑3： 利用Maxwell关系式， 获得等温磁熵变和绝热温变的计算公式， 基于等温磁熵 变和绝热温变的计算公式， 计算在固定磁场 强度下对应的磁化强度对温度的偏导， 并对获 得的随磁场强度变化的偏导进 行积分， 即获得给定磁场强度下对应的等温磁熵变和绝热温 变数值。 6.一种二维磁体磁热效应的多尺度计算系统， 其特征在于， 包含晶体模块、 VASP计算模权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115455677 A 2块、 VAMPIRE计算模块、 磁热效应 计算模块； 晶体模块用以建立 二维磁体的晶体结构； VASP计算模块用以基于二维磁体的晶体结构， 使用软件包VASP对二维磁体的晶体结构 进行计算， 获得原子磁矩、 磁晶各向异性能、 磁交换系数； VAMPIRE计算模块用以结合原子磁矩、 磁晶各向异性能、 磁交换系数， 使用软件包 VAMPIRE计算 二维磁体在固定温度下随磁场强度变化的磁化强度； 磁热效应计算模块用以通过引 入磁场作用的热力学函数和Maxwell关系式， 推导磁热 效应的评价指标， 即等温磁熵变和 绝热温变， 利用公式计算外加磁场对应的等温磁熵变和 绝热温变数值。 7.根据权利要求6所述的二维磁体磁热效应的多尺度计算系统， 其特征在于， 晶体模块 中， 二维磁体的范围包括但不限于Cr X3(X＝F,Cl,Br,I)、 CrAX(A＝O,S,Se； X＝F,Cl,Br,I)、 VA2Z4(A＝Si,Ge； Z＝ N,P,As)。 8.根据权利要求6所述的二维磁体磁热效应的多尺度计算系统， 其特征在于， VASP计算 模块包含原子磁矩单 元、 磁晶各向异性能单 元、 磁交换系数 单元； 原子磁矩单元用以使用软件包VASP对二维磁体的晶体结构进行弛豫计算及自洽计算， 获取原子磁矩； 磁晶各向异性能单元用以经自洽计算的优化后， 结合自旋轨道耦合， 通过非共线性计 算获取不同方向的能量差值， 得到磁晶各向异性能； 磁交换系数单元用以根据胞内磁性原子外层电子的自旋方向确定不同磁构型， 通过自 洽计算获取对应磁构型的基态能量和磁性原子磁矩； 并根据原子自旋的哈密顿量方程建立 能量和磁交换系数 的关系式， 同时结合对应磁构型 的基态能量， 计算得到二维磁体的磁交 换系数。 9.根据权利要求6所述的二维磁体磁热效应的多尺度计算系 统， 其特征在于， VAMPIRE 计算模块包 含创建文件单 元、 居里温度计算单 元、 磁化强度计算单 元； 创建文件单元用以基于原子磁矩、 磁晶各向异性能、 磁交换系数， 使用软件包VAMPIRE 创建二维磁 体相关文件； 居里温度计算单元用以基于蒙特卡洛算法， 计算二维磁体在一定温度区间内， 磁化强 度随温度变化的对应关系， 并对其 求导确定二维磁 体的居里温度； 磁化强度计算单元用以基于原子自旋动力学计算二维磁体在固定温度 下， 磁化强度随 磁场强度变化的对应关系。 10.根据权利要求6所述的二维磁体磁热效应的多尺度计算系统， 其特征在于， 磁热效 应计算模块包含引入热力学单元、 熵和磁化强度获取单元、 等温磁熵变和绝热温变计算单 元； 引入热力学单元用以通过磁化时所作磁功， 将磁热效应引入热力学系统， 并对吉布斯 函数进行微分处 理； 熵和磁化强度获取单元用以通过吉布斯函数的微分表达式获得熵和磁化强度的表达 式， 并对熵和磁化强度求 二阶导数， 获得磁性 参量相关的Maxwel l关系式； 等温磁熵变和绝热温变计算单元用以利用Maxwell关系式， 获得等温磁熵变和绝热温 变的计算公式； 基于等温磁熵变和 绝热温变的公式， 计算在固定磁场 强度下对应的磁化强权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115455677 A 3