一种高通量计算广义配位数和电子描述符的方法

本技术涉及数据处理方法领域，主要涉及一种高通量计算广义配位数和电子描述符的方法。

背景技术：

1、配位数是指化合物中中心原子周围的配位原子个数，此概念可延伸至任何化合物，也就是配位数等同于共价键键数，晶体学中，配位数是晶格中与某一布拉维晶格相距最近的格子个数。在实际晶体中，由于其结构中具有点缺陷、位错、表界面等其他缺陷，或由于掺杂、合金化等手段导致的晶格扭曲或尺寸失配，原子的配位数发生改变。基于局部环境的电子描述符，如价电子浓度、局域环境的电负性、内聚能和活性位点描述符ψ都是基于配位数的衍生描述符，对于预测吸附能、表面能、表面缺陷、界面偏析以及其他材料的微观宏观等特性具有关键作用。

2、配位数的计算通常需要可视化原子结构，进而选定原子，数其配位数。ase(atomicsimulation environment)软件中提供了创建近邻原子列表方法，可根据原子半径、共价半径和范德华半径等作为截断半径，创建一个球体的碰撞检测器，即给定一些位于不同点的不同半径的球体，计算球体之间是否重叠。对于较大变形的结构，ase对近邻原子的识别误差较高，对于大批量结构文件无法实现准确高通量计算广义配位数和电子描述符。

技术实现思路

1、为了解决ase对近邻原子的识别误差较高，无法实现准确高通量计算广义配位数和电子描述符的问题，本技术提供了一种高通量计算广义配位数和电子描述符的方法，包括：

2、结合ase软件，识别原子结构，读取原子结构信息和晶格类型，根据所述晶格类型定义截断半径，基于球体碰撞检测器，计算所述原子结构中所有原子的第一近邻原子列表及所有原子的配位数，所述原子的第一近邻原子为原子的最近邻原子；

3、基于广义配位数模型、所述第一近邻原子列表及所有配位数信息，将待计算位点所有第一近邻原子的配位数加和除以结构中最大配位数，得到所述待计算位点的一阶广义配位数，所述最大配位数为完美块体晶格中最大配位数；

4、基于所述待计算位点第一近邻原子列表，输出所述待计算位点局部环境的电子描述符。

5、最大配位数为完美块体晶格中最大配位数。如简单立方的配位数为6，体心立方的配位数为8，面心立方和密排六方的配位数为12，其他晶格类型按未弛豫的完美块体晶格中的最大配位数计算，这样得到了该位点的一阶广义配位数。

6、本技术基于ase开源软件中的球体碰撞检测器计算原子近邻和配位数，可识别目前所有存储原子的结构文件格式，并将ase软件中需编码的部分整合成脚本，方便非专业人员使用，且对于较大变形的结构，该方法对近邻原子的识别误差较低。

7、可选的，所述定义截断半径，基于球体碰撞检测器，计算所述原子结构中所有原子的第一近邻原子列表及所有原子的配位数，还包括：

8、创建原子结构中所有原子的距离列表，并排除非零距离，得到原子非零距离列表，并识别所述原子非零距离列表中的最短距离；定义λ=1.26，则截断半径=(λ-0.01×n)×最短距离，n=0、1、2……n；根据n=0时所述截断半径与所述原子的非零距离列表，利用ase软件中的球体碰撞检测器，得到n=0时结构中所有原子的配位数，如果所述n=0时结构中所有原子的配位数均小于或者等于完美块体晶格中的配位数，则输出所述原子结构中所有原子的第一近邻原子列表及所有原子的配位数。

9、本方案有较少的经验性参数，且不影响最终计算结果，仅影响计算时间，计算效率与结构中原子个数有关，算法复杂度为o(n)，且计算普通配位数和最近邻的同时，对于配位数衍生描述符如广义配位数、局部环境电子描述符可实现高通量计算。

10、可选的，所述高通量计算广义配位数和电子描述符的方法，还包括：

11、如果所述n=0时，所述原子结构中任一原子的配位数大于晶格类型最大配位数，则设置n＇=n+1；根据n＇=n+1时所述截断半径与所述原子的非零距离列表，利用ase软件中的球体碰撞检测器，得到n＇=n+1时结构中原子的配位数，比较所述n＇=n+1时结构中原子的配位数与所述完美块体晶格中的配位数，如果所述n＇=n+1时结构中任一原子的配位数大于所述完美块体晶格中的配位数，则更新n＇值并重复执行比较配位数的步骤；如果所述n＇=n+1时结构中所有原子的配位数均小于或者等于所述完美块体晶格中的配位数，则输出所述原子结构中所有原子的第一近邻原子列表及所有原子的配位数。

12、可选的，所述广义配位数模型为：

13、；

14、式中，为广义配位数，i表示给定原子的第i个近邻，n是近邻原子数，为最大配位数，m表示配位数的阶数，第0阶配位数即为普通配位数，即原子的第一近邻原子个数。

15、可选的，所述高通量计算广义配位数和电子描述符的方法，还包括：

16、遍历所述待计算位点所有第二近邻原子，得到所述待计算位点第二近邻原子的配位数列表，所述第二近邻原子为所述第一近邻原子的最近邻原子，即所述待计算位点所有次近邻原子；根据所述待计算位点第二近邻原子的配位数列表，计算所述待计算位点的第一近邻原子的一阶广义配位数，并将所述第一近邻原子的一阶广义配位数加和除以结构中最大配位数，输出所述待计算位点的二阶广义配位数。

17、可选的，所述高通量计算广义配位数和电子描述符的方法，还包括：

18、遍历所述待计算位点所有第m近邻原子，得到所述待计算位点第m近邻原子的配位数列表，所述第m近邻原子为第(m-1)近邻原子的最近邻原子；根据所述待计算位点第m近邻原子的配位数列表，计算所述待计算位点的第(m-1)近邻原子的一阶广义配位数，并将所述第(m-1)近邻原子的一阶广义配位数加和除以结构中最大配位数，输出所述待计算位点的m阶广义配位数。

19、可选的，所述基于所述待计算位点第一近邻原子列表，输出所述待计算位点局部环境的电子描述符，包括：

20、根据所述待计算位点第一近邻原子列表，识别所述待计算位点处的局部活性中心，构建局部环境列表，所述局部环境列表包括所述待计算位点和所述待计算位点的第m近邻原子；根据标准描述符表和局部环境列表，匹配所述局部环境列表中每个元素的元素电子描述符，所述标准描述符表包括结构中每个元素的价电子、电负性、内聚能、电子描述符ψ（ψ=sv2/χ）、原子半径、周期数和族数；根据电子描述符公式，计算所述局部环境列表中所有的元素电子描述符的几何平均，得到了所述待计算位点的局部环境的电子描述符。

21、可选的，所述电子描述符公式包括：

22、；

23、其中，x为描述符，i表示局部环境中的第i个原子，n为局部环境中的原子数。

24、可选的，所述电子描述符公式还包括：

25、；

26、其中，x为描述符，i表示局部环境中的第i个原子，n为局部环境中的原子数。

27、本技术提供了一种高通量计算广义配位数和电子描述符的方法，利用ase软件，集成原子结构识别方法和ase软件中的球体碰撞检测器，实现了结构中的近邻原子列表及所有配位数的计算，并扩展至广义配位数和电子描述符的计算，解决了ase对近邻原子的识别误差较高、无法实现准确快速高通量计算广义配位数和电子描述符的问题。