计算机在材料科学中的应用Materials Studio6.0 基础知识

计算机在材料科学与工程中的应用Materials Studio 6.0基础知识
实验报告
课程号： 113191510
任课教师：
学号：
实验一 第一性原理计算
1. 实验目的
(1) 掌握第一性原理和密度泛涵的计算方法； (2) 学会使用Visualizer 的各种建模和可视化工具； (3) 熟悉CASTEP 模块的功能。

2. 实验原理
CASTEP 是基于密度泛涵理论平面波赝势基础上的量子力学计算。

密度泛涵理论的基本思想是原子、分子和固体的基本物理性质可以用粒子密度函数进行描述。

可以归纳为两个基本定理：
定理1：粒子数密度函数是一个决定系统基态物理性质的基本参量。

定理2：在粒子数不变的条件下能量对密度函数变分得到系统基态的能量。

不计自旋的全同费米子的哈密顿量为：H T U V =++
其中动能项为：()()
T d r r r ψ
ψ+
=
∇∇⎰
库仑作用项为：1
1'()(')()(')
2
'
U
d rd r r r r r r r ψψψψ+
+
=
-⎰
V 为对所有粒子均相同的局域势u(r)表示的外场影响：()()()V dru r r r ψψ+=⎰粒子数密度函数为：
()()()r r r ρψ
ψ+
=ΦΦ
对于给定的()r υ，能量泛函[]E ρ定义为：[]()()E dr r r T U ρυρ=+
Φ+Φ
⎰；[]F T U ρ=
Φ+Φ
系统基态的
能量：'
''''[]''''[][]()()[][]()()[]
E T U V G E
F d r r r E
G G F d r r r E G ρρυρφρυρρΦ=
Φ+Φ+
ΦΦ
==+>⎰=+=⎰
3. 实验内容
实验 1. 材料的电子结构计算；
实验 2. 晶体材料的晶格[点阵]参数预报（要求材料体系为金属合金、化合物半导体或有机
高分子材料）；
4. 实验设备和仪器
(1) 硬件：多台PC 机和一台高性能计算服务器。

(2) 软件：主要利用Materials Studio 软件包里的Materials Visualizer 和
CASTEP(Calculation 和Analysis)模块。

5. 实验步骤
5.1建立所研究材料的结构模型
①在菜单栏中选择File/Import，进入structures/semiconductors文件夹，选择CdS.ms文件。

改变Display Style和Display Options（为方便打印，把背景由黑色改为灰色）
②按照计算需要对晶胞内的原子进行替换，并用Build | Symmetry | Primitive Cell将模型设置为原胞形式。

5.2 设置并运行量子力学计算
步骤1：几何优化
①选择Setup项，将Task项设置为 Geometry Optimization，标准设为 Fine,点击此对话框中的 More按钮，在Optimize Cell项前打钩，关闭对话框。

②选择 Job Control按钮，点击此对话框中的 More按钮，设置Gateway，默认my computer。

③选择 Properties 按钮
实验1.在Density of states和选项前打钩。

按下Run按钮，开始运行计算。

关闭对话框。

实验2.在Band structure选项前打钩。

按下Run按钮，开始运行计算。

关闭对话框。

步骤2：判断计算结果是否正确
①在 Project Explorer工作栏内,双击CdS.castep文件，将其激活。

②在菜单栏中选择Edit/ Find 键入 completed successfully 查找到此文字，找到后向上几行，有一个两行的表格，如果两行显示都为“yes”，说明计算正常结束,否则要继续进行运算。

5.3计算结果分析
在计算结果文件夹中激活CdS.xsd文件。

在工具栏中选择 CASTEP工具，然后选择Analysis，选择Electron density项，按下Import按钮，电子的等值面就显示在结构中。

实验1.打开CASTEP的Analysis对话框，选择density of states项，按下View按钮；
实验2. 打开CASTEP的Analysis对话框，选择Band structure项，按下View按钮；
CdS电子等值面图
态密度图
CASTEP Density of states
能带图
CASTEP Band Structure
Band gap is 0.969eV
CdS的晶格参数:
①选中初始的CdS.xsd 文件，查看Properties/Lattice 3D,其中显示晶格常数为a=b=c=5.83200Å，α=β=γ=90.0000
②将优化计算后的原胞（CdS.xsd）转化为晶胞（Build/Symmetry/Conventional Cell）,查看晶格参数：a=b=c=5.815137Å,α=β=γ=90.0000
误差值为(5.815137 Å-5.83200 Å) / 5.83200 Å*100% = -0.29%
*误差-0.29%，这在1-2% 典型误差范围内, 使用LDA函数晶格常数的计算值偏小。

实验二 基于分子力场的分子力学和分子动力学计算
1.实验目的
(1)掌握分子力学和分子动力学的模拟方法； (2)学会使用Visualizer 的各种建模和可视化工具； (3)熟悉Forcite 模块的功能。

2.实验原理
基于“Born-Oppenheimer ”近似，可以将原子运动的Schrödinger 方程，分别表示为电子和核运动的Schrödinger 方程。

直接求解核的运动方程，并将其中的能量以经验的力场函数表示，即为分子力学方法。

如果将能量以力场形式表示，直接求解牛顿方程，就是分子动力学方法。

..
X m F x
E ==∂∂………………………………… 牛顿方程
3. 实验内容
实验3. 材料表面上分子的动力学计算。

4. 实验设备和仪器
(1) 硬件：多台PC 机和一台高性能计算服务器。

(2) 软件：主要利用Materials studio 软件包里的Materials Visualizer 和 Forcite （Calculatio 和Analysis ）模块。

5．实验方法和步骤
5.1建立材料表面和分子的结构模型
①按照所研究表面材料的晶胞参数建立晶体结构:在菜单栏选择File/Import ，进入structures/ metal-oxides 文件夹，选择SiO2_quartz.msi 文件,改变Display Style 和Display Options 。

H ψ (R,r) = E ψ (R,r) ……………………...….. Schrödinger 方程 He Φ(r;R) = E Φ(r;R) ………………电子运动的Schrödinger 方程 Hn Φ(R) = E Φ(R) ……………………核运动的Schrödinger 方程
②按照所需要的晶面对晶体进行切割。

方法是在菜单栏中打开Build/Surfaces/Cleave Surface 对话框，调整晶面指数和表面厚度。

默认的表面为（-1 0 0），厚度为1.0，按下 Cleave 按钮。

③将表面扩大为超晶胞结构。

方法是在菜单栏中选择Build/Symmetry/SuperCell，调整U 和V 的值均为3，按下Create Supercell 按钮。

④建立二维的表面环境。

方法是利用 Build Vacuum Slab工具建立三维的周期边界条件或利用Properties Explorer将其模型转化为 2D网格。

⑤将分子放到材料表面上。

方法是在任务栏中点右键，新建一分子文件，并按分子的特点重新命名。

然后在主菜单栏中选择Edit/Copy；在任务栏中双击表面分子文件，在主菜单栏选择
Edit/Paste。

5.2运行分子力学和分子动力学运算
在工具栏中选择Forcite模块。

在Forcite
Calculation对话框如右图，Energy中选择相应
的力场，如Dreading、Compass和Universal等。

步骤1：利用分子力学进行分子几何优化。

在Forcite Calculation对话框中，将Task
项设置为Geometry Optimization，标准设为
Fine。

在Task后的More按钮中，可以设置Max
iterations步和能量最小化的算法。

默认算法为
Smart。

按下Run按钮，开始运行几何优化计算。

Forcite Geometry Optimization—convergence
几何优化—收敛函数
Forcite Geometry Optimization—Energy
几何优化—能量
步骤2：针对不同要求的进行各种模拟计
①实验3.将Forcite模块的Task项设置为Dynamics 标准设为 Fine。

在Task后的More 按钮中，设置系综、时间步、温度和模拟时间等，按下Run按钮，开始运行动力学计算。

Forcite Dynamics Energies
动力学计算-能量
Forcite Dynamics Temperature 动力学计算-温度
②用Forcite模块中的analysis模块分析Potential energy components和Radial distribution function。

Forcite Analysis-Potential Energy Components
表面势能
Forcite Analysis-Radial distribution function
径向分布函数
实验总结
Materials Studio软件的确是一款非常强大的软件，在利用软件完成实验的过程中我学到了不少的知识，同时也遇到了不少的问题，从软件的安装到界面模块的认识，再到用以处理和分析各种晶体结构模型，但通过查看软件教程文档以及上网查阅资料等途径来解决自己遇到的各种问题也是一个很愉快的过程。

以上报告中涉及的软件知识的应用只是Materials Studio软件中非常微小的一部分，作为材料学科的一名初学者，我们应该对Materials Studio这一专门为材料科学领域开发的模拟软件加以学习,以便在日后的应用中能够更加方便快捷地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行分析处理等。