一种优化设计横向热电器件高通量实现的软件方法及系统

1.本发明属于材料计算技术领域，更具体地，涉及一种材料性能自动采集、筛选优化、高通量计算和输出存储方法，以快速获得可实现优异横向热电性能的组成材料高通量筛选方法和器件几何结构高通量优化方法。


背景技术：

2.横向热电器件是由两种或两种以上热电性质不同的材料倾斜交替堆叠而成，以组成最简单的a、b二元横向热电器件为例，a/b横向热电器件的综合热电性能可用横向热电优值zt
zx
描述：
3.zt
zx
＝σ
xxszx2
t/κ
zz
4.其中：σ
xx
为横向电导率，s
zx
为横向seebeck系数，κ
zz
为横向热导率，σ
xxszx2
为横向功率因子pf
zx
。定义器件叠层面与表面的倾斜角为θ，横向热电性能σ
xx
、s
zx
、κ
zz
均可用二阶张量描述：
[0005][0006]
即：
[0007]
σ
xx
＝σ
//
σ
⊥
/[σ
⊥
cos2θ+σ
//
sin2θ]
[0008]szx
＝(s
//-s
⊥
)sinθcosθ
[0009]
κ
zz
＝κ
//
sin2θ+κ
⊥
cos2θ
[0010]
根据kirchhoff(基尔霍夫)定则，若a和b材料输运性能分别为σa，κa，sa，σb，κb，sb，b材料层占比a＝db/(da+db)，则垂直和平行层方向的输运性质σ
//
，σ
⊥
，s
//
，s
⊥
，κ
//
，κ
⊥
可分别表述为：
[0011]
σ
//
＝(1-a)σa+aσb，σ
⊥
＝σaσb/[aσa+(1-a)σb]
[0012]s//
＝[(1-a)saσa+asbσb]/[(1-a)σa+aσb]
[0013]s⊥
＝[(1-a)saκb+asbκa)]/[(1-a)κb+aκa)
[0014]
κ
//
＝(1-a)κa+aκb，κ
⊥
＝κaκb/[aκa+(1-a)κb]
[0015]
可见，横向热电器件的横向热电性能是由组成材料a和b的热电输运性能和器件几何结构参数(θ和a)共同决定的，横向热电器件的组成、结构和性能之间关系复杂。
[0016]
此外，横向热电器件性能还是关于横向热电性能和几何结构参数(长l、宽w和高h)的函数，具体见下表1：
[0017]
表1、横向热电器件性能与横向热电性能和几何结构参数之间的关系
[0018][0019]
横向热电器件研发存在匹配材料选择难、结构参数变量多、优化计算工作量大等问题。如何寻找匹配的a/b组成材料并获得最优的几何结构参数是横向热电器件制造和结构优化的难点。目前已报道的横向热电器件，组成材料筛选主要依靠经验方法，结构优化主要基于试错实验。显然，仅通过经验和试错方法设计和制造横向热电器件需要耗费大量时间和成本，研究效率极低。
[0020]
随着计算机科学的发展和计算机运算能力的提高，采用高通量计算方法对材料性能进行模拟和优化已成为材料研究的重要手段。针对横向热电器件匹配材料选择难、结构参数变量多、优化计算工作量大的问题，亟需开发一种高通量优化设计横向热电器件的软件方法，以实现优异横向热电性能的匹配材料高通量筛选和器件几何结构高通量优化，从而为器件的研究与制造提供指导，避免盲目试错，有效缩短研究周期。


技术实现要素：

[0021]
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明基于基尔霍夫定律，提供一种高通量优化设计横向热电器件的软件方法及系统，以解决横向热电器件匹配材料选择难、结构参数变量多、优化计算工作量大等问题。
[0022]
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种优化设计横向热电器件高通量实现的软件方法，包括：
[0023]
s1：收集不同工作温度下组成材料的热电性能参数，建立组成材料a和b的热电性能基因库，基因库中材料信息包含材料名称、工作温度、电导率、热导率和seebeck系数；批量读取基因库中的组成材料信息，并存入组成材料信息库；
[0024]
s2：根据基尔霍夫定律，建立横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的函数；设定组成材料b占比参数0～1，器件的倾斜角0～90
°
，依次读取组成材料a和b的热电性能参数；高通量计算不同几何结构参数下任意a或b组成材料构成的横向热电器件的横向热电性能；确定优化原则，按照优化原则实现横向热电器件几何结构与横向热电性能高通量优化，得到优化结果，以建立横向热电器件几何结构与横向热电性能之间构效关系基
因信息数据库；
[0025]
s3：先通过搜索组成材料信息库，按照组成材料信息库中存储顺序选一种材料设定为组成材料a；再通过嵌套循环读取组成材料信息库中剩余材料信息，依次设定为匹配的组成材料b；然后调用横向热电器件几何结构与横向热电性能之间构效关系基因信息数据库；最后基于横向热电性能最优或者基于易加工原则，筛选出具有最佳横向热电性能的横向热电器件及其几何结构参数，同步实现横向热电器件几何结构设计与性能优化的高通量筛选；
[0026]
s4：根据高通量筛选结果，创建结果文件表头；再输出组成材料的a或b配对信息、最优横向热电性能和器件几何结构信息；然后，根据用户输入文件存储路径，将输出信息存储到结果数据库中，供查阅和调用；最后，输出提示信息，以提示用户完成计算，运行结束。
[0027]
在一些可选的实施方案中，步骤s2包括：
[0028]
s2.1：定义a或b横向热电器件的横向热电性能参数最大值的初始值；
[0029]
s2.2：根据基尔霍夫定律，建立横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的函数，将材料a、b与器件的倾斜角及占比参数代入函数关系得到当前几何结构参数下的横向热电性能参数；
[0030]
s2.3：若当前几何结构参数下的横向热电性能参数的绝对值大于横向热电性能参数最大值的绝对值，则将当前几何结构参数下的横向热电性能参数的值赋予横向热电性能参数最大值，并同步记录当前几何结构参数；
[0031]
s2.4：若当前几何结构参数下的横向热电性能参数的绝对值小于等于横向热电性能参数最大值的绝对值，则更新组成材料b的占比和器件的倾斜角，返回执行步骤s2.2，直至组成材料b的占比和器件的倾斜角均达到设定值。
[0032]
在一些可选的实施方案中，构效关系基因信息数据库中保存的高通量优化计算结果包含：材料a的名称、材料b的名称、最佳横向热电性能参数值和对应的几何结构参数。
[0033]
按照本发明的另一方面，提供了一种优化设计横向热电器件高通量实现的软件系统，包括：
[0034]
横向热电器件组成材料基因数据库的读写模块，用于收集不同工作温度下组成材料的热电性能参数，建立组成材料a和b的热电性能基因库，基因库中材料信息包含材料名称、工作温度、电导率、热导率和seebeck系数；设计软件程序，批量读取组成材料信息，并存入组成材料信息库，供高通量筛选模块搜索和调用；
[0035]
横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的高通量计算模块，用于根据基尔霍夫定律，建立横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的函数；设定组成材料b占比参数0-1(如变化步长0.01)，器件的倾斜角0-90
°
(如变化步长1
°
)，依次读取组成材料a和b的热电性能参数；高通量计算不同几何结构参数下任意a或b组成材料构成的横向热电器件的横向热电性能(包括横向电导率σ
xx
、横向热导率κ
zz
、横向seebeck系数s
zx
、横向功率因子pf
zx
与横向热电优值zt
zx
)；确定优化原则(可以根据具体需要优化的热电性能参数以及对器件的几何结构参数有无限制要求确定优化原则)，设计可以实现横向热电器件几何结构与横向热电性能高通量优化的软件程序，对构效关系的函数进行优化，并返回优化结果，建立横向热电器件几何结构与横向热电性能之间构效关系基因信息数据库；
[0036]
其中，高通量计算判据如下：
[0037]
a.定义a/b横向热电器件最大横向seebeck系数s
zx,max
初始值为0，若当前几何结构参数下横向seebeck系数s
zx
的绝对值大于s
zx,max
的绝对值则将该s
zx
的值赋予s
zx,max
，并同步记录其几何结构参数(倾角为θ1，b材料的占比为a1)；若当前几何结构参数下s
zx
的绝对值小于等于s
zx,max
的绝对值，则继续进行下一步计算；
[0038]
b.定义a/b横向热电器件最大横向功率因子pf
zx,max
初始值为0，若当前几何结构参数下的横向功率因子pf
zx
大于pf
zx,max
，则将该pf
zx
的值赋予pf
zx,max
，并同步记录其几何结构参数(倾角为θ2，b材料的占比为a2)；若当前几何结构参数下的pf
zx
小于等于pf
zx,max
，则继续进行下一步计算；
[0039]
c.定义a/b横向热电器件的最大横向热电优值zt
zx,max
初始值为0，若当前几何结构参数下的横向热电优值zt
zx
大于zt
zx,max
则将该zt
zx
的值赋予zt
zx,max
，并同步记录其几何结构参数(倾角为θ3，b材料的占比为a3)；若当前几何结构参数下的zt
zx
小于等于zt
zx,max
，则继续进行下一步计算。
[0040]
构效关系基因信息数据库中保存的高通量优化计算结果包含：材料a的名称、材料b的名称、最佳seebeck系数值和对应θ1和a1、最佳横向功率因子和对应θ2和a2、最佳横向热电优值和对应θ3和a3等。
[0041]
需要说明的是，本模块不限于优化横向seebeck系数、横向功率因子和横向热电优值，可根据用户需要定制优化和输出信息，还可以计算优化横向电导率、横向热导率等，并输出获得该最佳横向热电性能时器件的几何结构参数或者其他横向热电性能参数等。
[0042]
横向热电器件几何结构设计与性能优化的高通量筛选模块，用于先通过搜索横向热电器件组成材料基因数据库的读写模块中所生成的组成材料信息库，按照组成材料信息库中存储顺序选一种材料设定为组成材料a；再通过嵌套循环读取组成材料信息库中剩余材料信息，依次设定为匹配的组成材料b；然后调用横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的高通量计算模块中建立的横向热电器件几何结构与横向热电性能之间构效关系基因信息数据库；最后基于横向热电性能最优或者基于易加工原则，快速筛选出具有最佳横向热电性能的横向热电器件及其几何结构参数，同步实现横向热电器件几何结构设计与性能优化的高通量筛选；
[0043]
数据输出与存储模块，用于先根据横向热电器件几何结构设计与性能优化的高通量筛选模块的高通量筛选结果，创建结果文件表头；再输出组成材料的a或b配对信息、最优横向热电性能(包括σ
xx
、κ
zz
、s
zx
、pf
zx
与zt
zx
)和器件几何结构信息(包括组成材料b占比、器件倾斜角等)；然后，根据用户输入文件存储路径，将这些信息存储到结果数据库中，供查阅和调用；最后，输出提示信息，提示用户完成计算，程序运行结束。
[0044]
其中，结果文件表头可以根据需要输出的信息确定，如组成材料的a或b配对信息、最优横向热电性能(包括σ
xx
、κ
zz
、s
zx
、pf
zx
与zt
zx
)和器件几何结构信息(包括组成材料b占比、器件倾斜角等)。
[0045]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0046]
1)材料基因数据库具有可拓展性，随着纳入的材料信息增多，材料配对结果也成几何倍数的增加，材料筛选优化范围增大；2)采用高通量计算方式，有效地缩短了计算时间，随着材料基因库的扩充，计算量逐步增大，本方法优势更为明显；3)采用理论计算指导
材料合成与制备，与传统试错实验法相比，极大地提高了器件的研发效率，降低了研发成本，缩短了研发周期；4)用户不需要看懂源代码，只需根据提示操作便可快速获得感兴趣材料的配对优化信息。
附图说明
[0047]
图1是本发明实施例提供的一种横向热电器件示意图；
[0048]
图2是本发明实施例提供的一种优化设计横向热电器件高通量实现的软件方法的流程图；
[0049]
图3是本发明实施例提供的一种横向热电器件组成材料基因数据库的读写模块实现流程图；
[0050]
图4是本发明实施例提供的一种横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的高通量计算模块实现流程图；
[0051]
图5是本发明实施例提供的一种横向热电器件几何结构设计与性能优化的高通量筛选模块实现流程图；
[0052]
图6是本发明实施例提供的一种数据输出与存储模块实现流程图；
[0053]
图7是本发明实施例提供的一种横向热电器件高通量优化设计软件运行界面。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0055]
如图1所示，横向热电器件是由两种或两种以上热电性质不同的材料倾斜交替堆叠而成，以组成最简单的a、b二元横向热电器件为例，其几何结构参数就有6个之多，它们分别是a材料和b材料层的厚度da和db、叠层面与器件表面之间的夹角θ以及器件的长l、宽w、高h。可见，横向热电器件组成材料选择难、结构参数变量多、优化计算工作量大。因此，如何寻找匹配的a、b组成材料并获得最优的几何结构参数是横向热电器件优化和制造的难点。
[0056]
如图2所示，一种优化设计横向热电器件高通量实现的软件方法，包括：横向热电器件组成材料基因数据库的读写、横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的高通量计算、横向热电器件几何结构设计与性能优化的高通量筛选和数据输出与存储。
[0057]
如图3横向热电器件组成材料基因数据库的读写模块实现流程图所示，运行横向热电器件高通量计算筛选优化系统，根据运行界面提示，输入材料热电性能基因库绝对路径，系统通过与用户提供的材料热电基因库信息交互，批量读取组成材料信息，并存入组成材料信息库，供高通量筛选模块搜索和调用。
[0058]
如图4横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的高通量计算模块实现流程图所示，首先，软件初始化需要优化的横向热电性能参数和几何结构参数，根据基尔霍夫定律，建立横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的函数；设定组成材料b占比参数0-1(变化步长0.01)，器件的倾斜角0-90
°
(变化步长1
°
)，依次读取组成材料a和b的热电性能参数；高通量计算不同几何结构参数下任意a/b组成材料构成的横向热电器件的
横向热电性能(横向电导率σ
xx
、横向热导率κ
zz
、横向seebeck系数s
zx
、横向功率因子pf
zx
与横向热电优值zt
zx
)；确定优化原则，设计可以实现横向热电器件几何结构与横向热电性能高通量优化的软件程序，如材料a的名称、材料b的名称、最佳seebeck系数值和对应θ1和a1、最佳横向功率因子和对应θ2和a2、最佳横向热电优值和对应θ3和a3等，并返回优化结果。
[0059]
如图5横向热电器件几何结构设计与性能优化的高通量筛选模块实现流程图所示，先通过搜索横向热电器件组成材料基因数据库的读写模块中所生成的组成材料信息库，按照信息库中存储顺序选一种材料设定为组成材料a；再通过嵌套循环读取信息库中剩余材料信息，依次设定为匹配的组成材料b；然后调用横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的高通量计算模块中建立的横向热电器件几何结构与横向热电性能之间构效关系的高通量计算进行计算，直至将信息库中所有材料进行配对组合和计算；最后基于横向热电性能最优或者基于易加工原则，快速筛选出具有最佳横向热电性能的横向热电器件及其几何结构参数，同步实现横向热电器件几何结构设计与性能优化的高通量筛选。
[0060]
如图6数据输出与存储模块实现流程图所示，软件根据横向热电器件几何结构设计与性能优化的高通量筛选模块高通量筛选结果，创建结果文件表头；再输出组成材料的a/b配对信息、最优横向热电性能(σ
xx
、κ
zz
、s
zx
、pf
zx
与zt
zx
)和器件几何结构信息(组成材料b占比、器件倾斜角等)；尔后，根据用户输入文件存储路径，将这些信息存储到结果数据库中，供查阅和调用；最后，提示用户完成计算，程序运行结束。
[0061]
为了更直观显示使用流程和计算结果，本发明以ni、bi、ybal3、n型碲化铋、p型碲化铋5种材料为例进行演示说明。前期准备，在计算机上安装横向热电器件高通量优化设计软件，将以上五种材料的名称和热电基因信息输入excel文件，并命名为“材料热电性能基因库”，记录下该文件的绝对路径。
[0062]
如图7横向热电器件高通量优化设计软件运行界面所示，该软件界面包含程序界面和终端界面。用户运行软件后，系统会提示输入材料热电性能基因库的绝对路径，随后会显示计算结果，计算结束后系统会提示用户输入保存结果的绝对路径，最后系统会提示用户完成计算，程序运行结束。
[0063]
该软件不需要用户看懂源代码，只需根据提示运行就可以获得组成材料的优化结果。此外，材料基因数据库具有可拓展性，随着纳入的材料信息增多，数据配对结果也成几何倍的增加，材料筛选优化范围增大，用户可对自己感兴趣的材料进行组合配对优化计算。
[0064]
需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
[0065]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种优化设计横向热电器件高通量实现的软件方法，其特征在于，包括：s1：收集不同工作温度下组成材料的热电性能参数，建立组成材料a和b的热电性能基因库，基因库中材料信息包含材料名称、工作温度、电导率、热导率和seebeck系数；批量读取基因库中的组成材料信息，并存入组成材料信息库；s2：根据基尔霍夫定律，建立横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的函数；设定组成材料b占比参数0～1，器件的倾斜角0～90
°
，依次读取组成材料a和b的热电性能参数；高通量计算不同几何结构参数下任意a或b组成材料构成的横向热电器件的横向热电性能；确定优化原则，按照优化原则实现横向热电器件几何结构与横向热电性能高通量优化，得到优化结果，以建立横向热电器件几何结构与横向热电性能之间构效关系基因信息数据库；s3：先通过搜索组成材料信息库，按照组成材料信息库中存储顺序选一种材料设定为组成材料a；再通过嵌套循环读取组成材料信息库中剩余材料信息，依次设定为匹配的组成材料b；然后调用横向热电器件几何结构与横向热电性能之间构效关系基因信息数据库；最后基于横向热电性能最优或者基于易加工原则，筛选出具有最佳横向热电性能的横向热电器件及其几何结构参数，同步实现横向热电器件几何结构设计与性能优化的高通量筛选；s4：根据高通量筛选结果，创建结果文件表头；再输出组成材料的a或b配对信息、最优横向热电性能和器件几何结构信息；然后，根据用户输入文件存储路径，将输出信息存储到结果数据库中，供查阅和调用；最后，输出提示信息，以提示用户完成计算，运行结束。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2包括：s2.1：定义a或b横向热电器件的横向热电性能参数最大值的初始值；s2.2：根据基尔霍夫定律，建立横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的函数，将材料a、b与器件的倾斜角及占比参数代入函数关系得到当前几何结构参数下的横向热电性能参数；s2.3：若当前几何结构参数下的横向热电性能参数的绝对值大于横向热电性能参数最大值的绝对值，则将当前几何结构参数下的横向热电性能参数的值赋予横向热电性能参数最大值，并同步记录当前几何结构参数；s2.4：若当前几何结构参数下的横向热电性能参数的绝对值小于等于横向热电性能参数最大值的绝对值，则更新组成材料b的占比和器件的倾斜角，返回执行步骤s2.2，直至组成材料b的占比和器件的倾斜角均达到设定值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，构效关系基因信息数据库中保存的高通量优化计算结果包含：材料a的名称、材料b的名称、最佳横向热电性能参数值和对应的几何结构参数。4.一种优化设计横向热电器件高通量实现的软件系统，其特征在于，包括：横向热电器件组成材料基因数据库的读写模块，用于收集不同工作温度下组成材料的热电性能参数，建立组成材料a和b的热电性能基因库，基因库中材料信息包含材料名称、工作温度、电导率、热导率和seebeck系数；批量读取基因库中的组成材料信息，并存入组成材料信息库；横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的高通量计算模块，用于根据基尔霍夫定律，建立横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的函数；设定组成材料b
占比参数0～1，器件的倾斜角0～90
°
，依次读取组成材料a和b的热电性能参数；高通量计算不同几何结构参数下任意a或b组成材料构成的横向热电器件的横向热电性能；确定优化原则，按照优化原则实现横向热电器件几何结构与横向热电性能高通量优化，得到优化结果，以建立横向热电器件几何结构与横向热电性能之间构效关系基因信息数据库；横向热电器件几何结构设计与性能优化的高通量筛选模块，用于先通过搜索组成材料信息库，按照组成材料信息库中存储顺序选一种材料设定为组成材料a；再通过嵌套循环读取组成材料信息库中剩余材料信息，依次设定为匹配的组成材料b；然后调用横向热电器件几何结构与横向热电性能之间构效关系基因信息数据库；最后基于横向热电性能最优或者基于易加工原则，筛选出具有最佳横向热电性能的横向热电器件及其几何结构参数，同步实现横向热电器件几何结构设计与性能优化的高通量筛选；数据输出与存储模块，用于根据高通量筛选结果，创建结果文件表头；再输出组成材料的a或b配对信息、最优横向热电性能和器件几何结构信息；然后，根据用户输入文件存储路径，将输出信息存储到结果数据库中，供查阅和调用；最后，输出提示信息，以提示用户完成计算，运行结束。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的高通量计算模块，具体用于定义a或b横向热电器件的横向热电性能参数最大值的初始值；根据基尔霍夫定律，建立横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的函数，将材料a、b与器件的倾斜角及占比参数代入函数关系得到当前几何结构参数下的横向热电性能参数；若当前几何结构参数下的横向热电性能参数的绝对值大于横向热电性能参数最大值的绝对值，则将当前几何结构参数下的横向热电性能参数的值赋予横向热电性能参数最大值，并同步记录当前几何结构参数；若当前几何结构参数下的横向热电性能参数的绝对值小于等于横向热电性能参数最大值的绝对值，则更新组成材料b的占比和器件的倾斜角，进行进一步计算，直至组成材料b的占比和器件的倾斜角均达到设定值。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，构效关系基因信息数据库中保存的高通量优化计算结果包含：材料a的名称、材料b的名称、最佳横向热电性能参数值和对应的几何结构参数。

技术总结
本发明提供了一种优化设计横向热电器件高通量实现的软件方法及系统，属于材料计算技术领域，内容涉及快速获得实现优异横向热电性能的匹配材料高通量筛选方法和器件几何结构高通量优化方法，该系统包括四个功能模块：横向热电器件组成材料基因数据库的读写模块、横向热电器件几何结构与横向热电性能间构效关系的高通量计算模块、横向热电器件几何结构设计与性能优化的高通量筛选模块和数据输出与存储模块。本发明能够实现高效横向热电器件的匹配材料高通量筛选和几何结构高通量优化的目的，与传统试错实验法相比，极大地提高了器件的研发效率，降低了研发成本，缩短了研发周期，软件操作简单具有通用性和扩展性。软件操作简单具有通用性和扩展性。软件操作简单具有通用性和扩展性。


技术研发人员：赵文俞 朱婉婷 魏平 贺丹琪 聂晓蕾 桑夏晗 张清杰
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/3/8