本發(fā)明涉及新能源材料計(jì)算，具體涉及一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)的二維電卡材料制冷性能的計(jì)算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、能源是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的重大支柱，聚焦新能源技術(shù)是發(fā)展壯大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一個(gè)重要途徑就是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率，從而減少碳排放。全球數(shù)十億臺(tái)冰箱、空調(diào)和熱泵由于缺乏適當(dāng)?shù)木S護(hù)和隨意丟棄，導(dǎo)致大量溫室氣體持續(xù)泄漏到大氣中，對(duì)環(huán)境造成不可磨滅的傷害，導(dǎo)致臭氧層空洞和全球變暖；因此，尋找新的制冷技術(shù)和制冷材料是至關(guān)重要的。

2、基于外場(chǎng)誘導(dǎo)相變的固態(tài)制冷材料和技術(shù)是為未來制冷可行性技術(shù)一種很有前途的解決方案，發(fā)展具有綠色環(huán)保、節(jié)能高效和穩(wěn)定可靠的固態(tài)制冷新材料與新技術(shù)，已經(jīng)成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)和挑戰(zhàn)；特別是，電卡致冷比磁卡致冷、彈卡致冷和壓卡致冷更容易實(shí)施且成本效益更高，因?yàn)殡妶?chǎng)更可控且容易獲?。昏F電材料是電致冷制冷的理想候選材料，因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出可以在外電場(chǎng)作用下在鐵電相變溫度附近調(diào)制的自發(fā)極化。

3、然而，傳統(tǒng)電卡致冷的性能通常不足以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，隨著微型化和集成技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)微米或納米尺度芯片制冷的研究日益增加，其潛力巨大；因此，目前亟需一種能夠快速確定一個(gè)材料的電卡性能的計(jì)算方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了克服以上不足，本發(fā)明的目的是提供一種兼并效率和精度的方法來計(jì)算二維電卡材料的制冷性質(zhì)包括等溫熵變和絕熱溫變，該方法基于第一性原理計(jì)算、深度勢(shì)能訓(xùn)練、分子動(dòng)力學(xué)模擬鐵電材料在外場(chǎng)下的相變規(guī)律，并引發(fā)電卡制冷。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)的二維電卡材料制冷性能的計(jì)算方法，包括：

3、步驟s1：對(duì)初始數(shù)據(jù)集進(jìn)行能量、力和維里粒子的計(jì)算，生成第一性原理結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，所述第一性原理結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括：第一性原理結(jié)構(gòu)的能量、原子力和維力數(shù)據(jù)；

4、步驟s2：根據(jù)第一性原理結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，生成深度勢(shì)能模型；

5、步驟s3：根據(jù)深度勢(shì)能模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬探索，生成深度勢(shì)能模型的誤差數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)所述誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記；

6、步驟s4：根據(jù)經(jīng)由預(yù)設(shè)測(cè)試方法評(píng)估后的深度勢(shì)能模型，進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，以模擬二維電卡材料的相變過程；

7、步驟s5：模擬二維電卡材料在外部電場(chǎng)下的極化動(dòng)力學(xué)，進(jìn)而計(jì)算二維電卡材料的制冷性能。

8、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，在步驟s1中，對(duì)初始數(shù)據(jù)集使用維也納從頭計(jì)算模擬包和perdew-burke-ernzerhof廣義梯度近似進(jìn)行能量、力和維里粒子的計(jì)算；

9、其中：使用投影增強(qiáng)波贗勢(shì)表示離子核的效應(yīng)，且為了實(shí)現(xiàn)能量和原子力的收斂，使用了400ev的能量截止和3×3×1的k點(diǎn)間距，當(dāng)總能量的差異小于10-6ev時(shí)，自洽場(chǎng)迭代停止，生成第一性原理結(jié)構(gòu)的能量、原子力、和維力數(shù)據(jù)。

10、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，在步驟s2中，所述方法包括以下步驟：

11、步驟s20：根據(jù)第一性原理結(jié)構(gòu)的能量、原子力、和維力數(shù)據(jù)，使用深度勢(shì)能訓(xùn)練軟件對(duì)四個(gè)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型進(jìn)行訓(xùn)練；

12、步驟s20：采用隨機(jī)梯度下降方法控制總損失函數(shù)中的能量和力損失的權(quán)重，生成四個(gè)初始隨機(jī)種子不同的深度勢(shì)能模型。

13、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，在步驟s3中，所述方法包括以下步驟：

14、步驟s30：使用四個(gè)深度勢(shì)能模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬探索，獲得四個(gè)深度勢(shì)能模型的能量誤差及力誤差；

15、步驟s31：對(duì)落在第一預(yù)設(shè)信任級(jí)別和第二預(yù)設(shè)信任級(jí)別之間的能量誤差及力誤差進(jìn)行標(biāo)記，進(jìn)而生成機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)。

16、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，在步驟s30中，在探索時(shí)，使用等溫等壓的深度勢(shì)能分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)跨越相圖區(qū)域的熱力學(xué)狀態(tài)集的相關(guān)配置進(jìn)行采樣，模擬中使用的初始配置包括超晶胞5×5×1的pnma和cmcm相，溫度范圍為100k-700k，壓力范圍為1atm-1gpa，時(shí)間范圍為2ps-20ps。

17、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，在步驟s4中，所述方法包括以下步驟：

18、步驟s400：計(jì)算深度勢(shì)能模型與第一性原理結(jié)果之間的能量誤差以及能量誤差的平均絕對(duì)誤差，評(píng)估擬合性能，使用r平方因子衡量?jī)烧咧g的一致性，同時(shí)計(jì)算原子力誤差及其平均絕對(duì)誤差，并評(píng)估擬合性能；

19、步驟s401：使用維也納從頭計(jì)算模擬方法進(jìn)行能量和力的第一性原理計(jì)算，采用perdew-burke-ernzerhof廣義梯度近似方法描述電子交換相關(guān)性，利用投影增強(qiáng)波贗勢(shì)模擬離子核效應(yīng)；

20、步驟s402：對(duì)深度勢(shì)能模型的勢(shì)函數(shù)，進(jìn)行能量和力的計(jì)算，進(jìn)而將計(jì)算得到的能量和原子力與第一性原理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；

21、步驟s403：對(duì)比動(dòng)態(tài)規(guī)劃和第一性原理計(jì)算得到的鐵電材料的非諧波雙阱電位，評(píng)估兩者的差別誤差；

22、步驟s404：分別計(jì)算材料的聲子光譜并進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而精確計(jì)算聲子色散。

23、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，在步驟s4中，所述方法還包括以下步驟：

24、步驟s405：使用玻恩有效電荷的第一個(gè)定義計(jì)算極化：

25、

26、其中，p為極化強(qiáng)度，z*為玻恩有效電荷張量，v為單元的體積，e為電子電荷，δd為極化相原子的相對(duì)于非極化相的位移；

27、步驟s406：使用玻恩有效電荷的第二個(gè)定義：

28、

29、得到外部電場(chǎng)的影響：

30、f＝-ez*×e,or,

31、其中，e為外部電場(chǎng)，f為外部電場(chǎng)而施加在原子上的附加力。

32、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，在步驟s4中，所述方法還包括以下步驟：

33、步驟s407：利用力場(chǎng)參數(shù)，進(jìn)行升溫模擬；

34、步驟s408：在溫度達(dá)到熱力學(xué)平衡后，根據(jù)玻恩有效電荷的第一個(gè)定義計(jì)算極化方法計(jì)算極化強(qiáng)度，生成極化強(qiáng)度隨溫度的變化曲線；

35、步驟s409：設(shè)置預(yù)設(shè)外電場(chǎng)，在不同溫度下重復(fù)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，生成在不同電場(chǎng)作用下極化強(qiáng)度隨電場(chǎng)的變化曲線；

36、步驟s410：將溫度恒定在預(yù)設(shè)溫度，進(jìn)行電場(chǎng)在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)的循環(huán)變化模擬，生成預(yù)設(shè)溫度下的磁滯回線。

37、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，在步驟s5中，所述方法包括以下步驟：

38、步驟s50：在初始絕熱極化階段，施加外部電場(chǎng)，同時(shí)保持總熵恒定，以此經(jīng)歷從初始非極化/無序到極化/有序的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致電卡材料的加熱；

39、步驟s51：保持電場(chǎng)不變，在電場(chǎng)下與周圍環(huán)境交換熱量，使用等壓等溫系綜將溫度降至初始溫度，以此經(jīng)歷從極化/有序過渡到極化/有序相；

40、步驟s52：去除電場(chǎng)，同時(shí)保持恒定的系統(tǒng)熵，使用等壓等焓系綜，以此經(jīng)歷從極化/有序相過渡到非極化/無序相，使材料的溫度下降；

41、步驟s53：保持電場(chǎng)為零，使系統(tǒng)與外界換熱，使用等壓等溫系綜，以此經(jīng)歷從非極化/無序相回到非極化/無序；

42、步驟s54：重復(fù)步驟s50-步驟s53，以此獲得需求溫度和電卡下的絕熱溫變和等溫熵變，進(jìn)而根據(jù)絕熱溫變和等溫熵變，得到二維電卡材料的制冷性能。

43、本發(fā)明還提供一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)的二維電卡材料制冷性能的計(jì)算系統(tǒng)，包括：

44、模型訓(xùn)練模塊，用于對(duì)初始數(shù)據(jù)集進(jìn)行能量、力和維里粒子的計(jì)算，生成第一性原理結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，所述第一性原理結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括：第一性原理結(jié)構(gòu)的能量、原子力和維力數(shù)據(jù)；根據(jù)第一性原理結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，生成深度勢(shì)能模型；根據(jù)深度勢(shì)能模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬探索，生成深度勢(shì)能模型的誤差數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)所述誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記；

45、極化計(jì)算模塊，用于根據(jù)經(jīng)由預(yù)設(shè)測(cè)試方法評(píng)估后的深度勢(shì)能模型，進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，以模擬二維電卡材料的相變過程；

46、性能計(jì)算模塊，用于模擬二維電卡材料在外部電場(chǎng)下的極化動(dòng)力學(xué)，進(jìn)而計(jì)算二維電卡材料的制冷性能。

47、本發(fā)明的有益效果：

48、本發(fā)明可以為二維電卡材料訓(xùn)練了一個(gè)力場(chǎng)，它結(jié)合了經(jīng)典方法的效率與第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬的準(zhǔn)確性，通過利用這種精確的力場(chǎng)，進(jìn)行緩慢升溫模擬可以成功地捕捉到了二維電卡材料極化強(qiáng)度隨著溫度的變化，在特定溫度之上極化強(qiáng)度瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)?，即產(chǎn)生了鐵電順電的相變過程。進(jìn)行緩慢變電場(chǎng)模擬，可以成功捕捉到二維電卡材料極化強(qiáng)度隨外電場(chǎng)變化規(guī)律，揭示其在外部電場(chǎng)下的極化動(dòng)力學(xué)，包括不同電場(chǎng)下極化的溫度依賴性和磁滯回線。并直接模擬電卡性能參數(shù)等溫熵變和絕熱溫變。經(jīng)過訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)將被其他人廣泛用于熱力學(xué)分析和相場(chǎng)模擬，以預(yù)測(cè)低維系統(tǒng)中的相變、疇結(jié)構(gòu)演變、鐵電性能和材料設(shè)計(jì)。本發(fā)明還為基于機(jī)器學(xué)習(xí)潛在函數(shù)預(yù)測(cè)材料的電熱性能提供了一種范式，為電熱界尋找具有高電熱性能的材料提供了可行的方向。