利用material studio软件制作CaTiO3的晶体结构
钙钛矿建模
利用第一性原理对甲胺碘铅进行结构模拟及性能研究目录摘要 (2)关键词 (2)一、绪论 (2)1.1钙钛矿太阳电池的结构与原理 (2)1.2CH3NH3PbX3钙钛矿的结构和性能 (3)1.3选题的意义 (4)二、CH3NH3PBI3钙钛矿结构的构建 (4)2.1CH3NH3PbI3钙钛矿的主要参数 (4)2.2建立几何模型 (5)2.2.1建立晶格 (5)2.2.2添加原子 (5)2.3利用Reflex模块进行粉末衍射图谱 (6)三、对晶体进行优化结构 (7)3.1结构优化 (7)3.1.1参数设置 (8)3.1.2运行结果显示 (8)3.2能量计算 (9)3.2.1参数设置 (9)3.2.2运行结构显示 (10)3.3计算结果分析 (11)四、CH3NH3PbI3钙钛矿几何结构延伸 (12)4.1Sn的掺杂对钙钛矿电池的能带结构的影响 (13)4.1.1Reflex粉末衍射图 (13)4.1.2几何优化 (14)4.1.3能量计算 (15)4.1.4计算结果分析 (16)4.2掺杂CH3NH3PbI3钙钛矿的几何机构及其分析 (17)4.2.1Reflex粉末衍射图 (18)4.2.2几何优化 (19)4.2.3能量计算 (19)4.2.4计算结果分析 (21)五、结论 (22)六、致谢 (22)参考文献 (22)摘要钙钛矿型甲胺碘铅薄膜太阳能电池因其结构简单、制备成本低廉等优点吸引了科研工作者的关注。
其光电转换效率在近5年内从3.8%迅速提高到15%以上，高于非晶硅的太阳电池效率，被Science评选为2013年十大科学突破之一。
本文主要是用Material Studio通过对CH3NH3PbI3钙钛矿建立晶体模型后，利用第一性原理对有机金属钙钛矿CH3NH3PbI3及其延伸结构进行结构模拟、能带分析和性能研究。
关键词：第一性原理 ; CH3NH3PbI3钙钛矿; 能带结构一、绪论1.1钙钛矿太阳电池的结构与原理钙钛矿是指CaTiO3,化学式是CaTiO3，是一种立方晶系的氧化物，是俄国化学家佩罗夫斯基发现的。
SrTiO3晶体结构的布局分析
104 2014 年 9 月（ 上 ）
SrTiO3晶体结构的布局分析
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： ,陕西延安,716000
科技风 Technology Wind 2014(17)
参考文献(4条) 1.Cheng H F;Lin T F;Hu C T Ef ect of sintering aids on microstructures and PTCR characteristics of(SrO[J].2Ba)TiO3 ceramics 1993 2.Zhu W;Wang C C;Akbar S A;et a1 Fast sintering of hydrothermal y synthesized BaTiO3 powder and their dielectric properties 1997 3.Jiang C;Fang L;Shen M Ef ects of Eu substituting positions andconcentrations on luminescent, dielectric,and magnetic properties of SrTiO3 ceramics 2009 4.[Liu C;Liu P Two kinds of anomalous dielectric phenomena in Pr-dopedSrTiO3 ceramics:The Debye-like and ferroelectriclike behaviors 2010
但对 SrTiO3 进行 Hirshfeld 分析，得到 Sr、Ti、O 三种原子的 Hirshfeld电荷分别为：0.41、0.49 和 -0.3，从而得到 SrTiO3 晶体的化 学式为：Sr+0.41Ti+0.49[O-0.30]3，并且有 0.41+0.49+3× （-0.30） =0，说明 Hirshfeld 分析比 Mulliken 布局分析要准确，主要是由于 Mulliken 分析基于电子轨道，以波函数来分析的，而 Hirshfeld 分析主 要是基于电荷密度来分析的。从电子云的重叠布局数也可以看出 Ti 和 O 之间的共价键成分较多，Sr 和 O 之间的离子键成分较高，而 O 和 O 之间不成键或者成反键。
用materialstudio画晶胞及参数设置
用materialstudio画晶胞及参数设置第一种情况: 从程序自带的各种晶体及有机模型中导入体系的晶胞1．打开MS，由file>import>structures>metals\>pure-metals>Fe导入Fe的晶胞。
2．由build>Surfaces>cleave Surfaces打开对话框.在对话框中输入要建立的晶面（hkl），选择position，其中depth控制晶面层数。
3．进入build>Supercell，输入A 、B 、C的值，得到想要的超晶胞。
4．到该步骤，我们已经建立了一个周期性的超晶胞。
如果要做周期性计算，则应选择build>Crystals>buil d vaccum slab，其中真空层通常选择10埃以上。
如果建立团簇模型则选择build>Symmetry>Non-periodic Structure，去掉模型的周期性，并跟据自己的实际需要删除部分原子，得到想要的团簇模型。
5．在表面插入分子时通过菜单栏上的几个小图标添加即可。
第二种情况: 手动建模，优点是可控制晶格常数。
6．首先从文献中查到晶体的晶格常数的实验值。
7．打开build>Crystals>build crystals，可见到对话框。
在对话框中选择空间群与点群，然后在Lattice Parameter中设置晶胞基矢的长度及夹角。
8．然后打开build>Add atom，从对话框中输入坐标。
这里只需输入几个有代表性的原子的坐标，不必全部输入。
在坐标输入前首先在option页面中选择coordinate system，或者分数坐标或者卡迪尔坐标。
9．以下步骤重复2-5步。
10．需要注意的是，采取什么样的团簇并不是任意的。
原因是很多模型构造出来后在优化过程中往往不收敛。
要避免这个问题的办法是查阅文献，参考文献上模型进行选取，因为它们的模型通常是经过试验证实收敛的。
Materials Studio（MS）结构模拟重构在晶体结构教学中的应用
Materials Studio(MS)结构模拟重构在晶体结构教学中的应用徐勇1,2 王志刚1 刘科高1 王献忠1 石磊1 王福明2 林均品2【摘要】摘要：采用Materials Studio(MS)软件对材料的结构进行模拟和重构，把抽象的晶体结构(晶胞或者原子构型)以简单的可视三维原子球棍模型表示出来，促进学生更直观地理解复杂晶体结构，提高晶体结构教学的效果。
通过建立晶胞和原子构型，形象描述晶体结构几何对称理论体系，并通过一些结构实例，如金刚石、石墨、碳纳米管和其他碳的同素异构体来阐述MS在材料化学和材料科学教程中的应用过程。
根据这些原子模拟构型，可以使得晶体结构特征更清晰更简单地表示出来，通过这种方式，大大促进了学生对晶体结构相关参数和对称特征等抽象概念的理解和掌握，同时也引发学生对晶体结构学习的兴趣和积极性。
【期刊名称】中国现代教育装备【年(卷),期】2013(000)019【总页数】3【关键词】模拟结构重构晶体结构材料化学材料科学课程材料的结构，特别是晶体结构，是材料化学和材料科学课程中的重要内容，是理解材料物理、化学性质的基础，因此在教学内容中具有非常重要的作用[1-3]。
然而，与晶体结构相关的一些概念和理论大多源于数学理论体系，如空间群、对称性和Wyckoff占位等，与几何对称有着密切的联系，因此其理论体系非常抽象和难以理解[4]，需要学生具有很强的基础理论功底和空间想象能力，但在现实教育教学中，学生往往很难具备如此深厚的理论基础和理解能力，因此给课堂教学带来很大的困难，这是目前材料化学和材料科学课程教学中的一个难题[5]。
而要理解和掌握相关的晶体结构知识需要学生付出非常多的时间去学习和训练，给学生带来很重的学习负担和压力[6,7]。
因此，开发和建立一种全新的可视化空间构型，将原子在三维空间中的分布明确地表达出来，是非常重要也是非常必要的，以此促进学生对真实晶体结构的深入理解和掌握[4,8]。
钙钛矿建模
利用第一性原理对甲胺碘铅进行结构模拟及性能研究目录摘要钙钛矿型甲胺碘铅薄膜太阳能电池因其结构简单、制备成本低廉等优点吸引了科研工作者的关注。
其光电转换效率在近5年内从%迅速提高到15%以上，高于非晶硅的太阳电池效率，被Science评选为2013年十大科学突破之一。
本文主要是用Material Studio通过对CH3NH3PbI3钙钛矿建立晶体模型后，利用第一性原理对有机金属钙钛矿CH3NH3PbI3及其延伸结构进行结构模拟、能带分析和性能研究。
关键词：第一性原理 ; CH3NH3PbI3钙钛矿; 能带结构一、绪论钙钛矿太阳电池的结构与原理钙钛矿是指CaTiO3,化学式是CaTiO3，是一种立方晶系的氧化物，是俄国化学家佩罗夫斯基发现的。
钙钛矿太阳能电池结构由掺杂氟SnO2(fluorine-oxide,FTO)导电玻璃、电子传输层（ETM）、钙钛矿吸收层（如CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbBr3等）、空穴传输层（HTM）和金属对电极组成。
电子传输层（ETM）多为ZnO、TiO2等，空穴传输层（HTM）多为Spiro-OMeTad、FTAA、H3MT、PEDOT、PASS等固态介质材料。
图钙钛矿太阳能电池结构示意图当钙钛矿吸收层吸收阳光受激后，产生电子空穴对，激子在吸收层运动至ETM/钙钛矿吸收层/HTM界面后发生分离，电子注入ETM层（阳极），空穴注入到HTM(阴极)，最后经外部电路循环在金属对电极复合形成回路电流。
图钙钛矿太阳能电池原理示意图钙钛矿的结构和性能理想钙钦矿结构的化学式为ABX3,属pm-3m空间群,整个结构可以描述为BX6八面体顶点相连形成钙钦矿结构的基本骨架,A位离子填充于所有形成的12配位的空隙中,也可看作A离子与X离子形成立方密堆结构,B位离子填充于八面体空隙中"这种结构具有很强的A一X和B一键平衡键长间的不匹配容忍度,可以通过BX6八面体扭转及A或B离子的位移转化为其他低对称空间群结构。
MaterialsStudio绘制尖晶石晶胞教程
Materials Studio 绘制尖晶石(spinel/MgAI 2O 4)晶胞教程1.打开MS ,新建工作区，文件名需英文。
M M E-r ull r'.udioFie kfet View iModiFy fimld Taok SiffEstiai J4aduln Window Helpi 中淀盘口* 斷dtwc&l■ wre^iT)2.右键左边 spine 2new ^3D AtoIQ 11 ±1 tudio -A - as〔-"ir吒厭 疋/風 inzw .1 rz 门苗"• |：£「占5 ->：i-.-：ii -； 芋I --------------- --------------------■ CjbEtfte ■ iftew pfcvpeci Open jin exi%ting prujrd:iftecenC pro^ec^My f avorlin- llviiilledll 11* T«Huritbediiii fl咖 l<122Q17ZWZ 14 125>fuCl^ f1 KB1 KB□1 - StuccoFJ^ &M: View w©dliy Buald "T OC M B Siafci&tcs Modkiles Wincfci^ Help_ □XU ・ 勺电 色 | ® |、T ▼ ▼ 乂 ife ® | ：t 4' 41-* H | j 亡 f 备 a▼ ,4 »》弋 ■■ » J » 亍」. •闻 ” "J] * *1 "i i n *id■.| X* 矢 A --■■tt* Hr* ・■* 吃♦- EJ* G* 色,审篦看 W* ■* ▼ S'* •爭 feL* 3®* 學讶 #*U ” J ▼ A~~ ii3 Build---crystals---build crystal 。
Materials Studio操作步骤(本人原创)
第3章铁基块体非晶合金-纳米晶转变的动力学模拟过程3.1 Discover模块动力学模拟3.1.1 原子力场的分配在使用Discover模块建立基于力场的计算中，涉及几个步骤。
主要有：选择力场、指定原子类型、计算或指定电荷、选择non-bond cutoffs。
在这些步骤中，指定原子类型和计算电荷一般是自动执行的。
然而，在某些情形下需要手动指定原子类型。
原子定型使用预定义的规则对结构中的每个原子指定原子类型。
在为特定的系统确定能量和力时，定型原子使工作者能使用正确的力场参数。
通常，原子定型由Discover使用定型引擎的基本规则来自动执行，所以不需要手动原子定型。
然而，在特殊情形下，人们不得不手动的定型原子，以确保它们被正确地设置。
图 3-1调出选择原子窗口图3-2 选择原子窗口计算并显示原子类型：点击Edit→Atom Selection，如图3-1所示。
弹出对话框，如图3-2所示。
从右边的…的元素周期表中选择Fe，再点Select，此时所建晶胞中所有Fe原子都将被选中，原子被红色线圈住即表示原子被选中。
再编辑集合，点击Edit→Edit Sets，如图3-3、3-4所示。
图3-3 编辑集合图3-4 设定新集合弹出对话框见图3-4，点击New...，给原子集合设定一个名字。
这里设置为Fe，则3D视图中会显示“Fe”字样，再分配力场：在工具栏上点击Discover按钮，从下拉列表中选择Setup，显示Discover Setup对话框，选择Typing选项卡，见图3-5。
图3-5 给原子添加力场在Forcefield types里选择相应原子力场，再点Assign（分配）按钮进行原子力场分配。
注意原子力场中的价态要与Properties Project里的原子价态（Formalcharge）一致。
3.1.2体系力场的选择点击Energy选项卡，见图3-6。
图3-6 Energy选项卡图3-7 力场下拉菜单力场的选择：力场是经典模拟计算的核心，因为它代表着结构中每种类型的原子与围绕着它的原子是如何相互作用的。
Materialsstudio
6.2 MS软件简介 模块
• Reflex • Reflex提供快速交互的粉末衍射数据模拟。 • 使用Power Diffraction工具，模拟结构以图形显示，便于理
解。模拟结构可以直接和试验数据比较。模拟结果可以在结 构改变后立即更新，以便和试验结构实时比较。可以进行X 射线、中子和电子衍射模拟。 • Power Index工具可以自动或手动寻峰，使用TREOR90、 DICVOL91、ITO15或最新的X－Cell程序索引并自动确定 空间群。 • X－Cell是一个单独授权的工具，可以安装在Reflex模块中。
Wuhan University of Technology
6.2 MS软件简介
• 主菜单
View:Commands for modifying the appearance of MS Modeling.
三维模型文档View菜单
另外，当前文档为三维模型时，View菜单还包括：
Display Style：打开Display Style对话框，改变
• Materials Studio是一个模块化的环境。每种模块提供不同 的结构确定、性质预测或模拟方法。你可以选择符合你要 求的模块与Materials Visualizer组成一个无缝的环境。你也 可以把Materials Visualizer作为一个单独的建模和分子图形 的软件包来运行。
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6.2 MS软件简介 模块
• Power Solver的方法：
– Reflex Power Indexing工具根据试验的粉末衍射图案索引 确定晶胞参数和所属晶类。
MaterialsStudio软件CASTEP模块.pptx
9
K-S求解近似处理方法-交换相关泛函
2 2
q
Zq r Rq
(r)
r r
dr VXC (r) i
i i (r)
电 动， 常数 一次迭代确定
核-电
电-电库伦作 用能
电-电交换相 关能
赝势处理
局域密度近似 LDA 广义梯度近似 GGA
Logo
10
交换相关泛函-局域密度近似LDA
假设原子核外电子云均匀分布
初始的情况
Logo
采用Smearing后
初始的情况
采用Smearing后
25
Density Mixing
Density Mixing参数控制体系中如何根据特征方程来构造新的电 子密度。在计算过程中，通过加入阻尼振荡来确保整个体系的平滑 收敛。对于一个最简单的阻尼方法，遵循如下方程：
new in A out in
决定
微观的电子结构
获 取
密度泛函
求解多粒子系统的薛定谔方程
H=E
近似求解多粒子系统薛定谔方程
Logo
7
密度泛函理论内容
[
1 2
2
Veff
(r )]
i
(r)
ii
(r
)
N
n(r) i (r) 2 i 1
Kohn-Sham方程
简化哈密顿算符
得 到
E() () Vne () Vee () Vnn
非必设参数：
DFT-D Fix Occupancy、Smearing
Density Mixing 自旋极化 偶极修正
Logo
22
DFT-D（Dispersion correction）色散矫正
利用软件Materials Studio标定晶体的晶面
通过软件Materials Studio对晶体的晶面进行标定
1、前期准备：
（1）可正常使用的Materials Studio软件
（2）晶体的.cif文件
2、双击桌面图标，得到如下窗口：
此时，可以选择Creat a new proj，点击OK，弹出如下窗口（如果选择Open an existing pro，点击OK，会打开之前已经命名好的文件）：
输入文件名字，我一般用日期进行命名，例如20200808-1，然后点击OK，如下新窗口：
将.cif文件（以TpPa-1的.cif文件为例）拖入软件界面中打开，得到如下窗口：
放大窗口，找到Reflex Tools图标,单击左键，选择“Powder Diffraction”
弹出一个新窗口：
修改角度范围，对于TpPa-1来说，可以将2-Theta:的Min改为3.000，Max 改为30.000，然后点击Calculate.得到新的窗口：
将鼠标光标放到相应的峰下边的绿色短竖线上，单击左键，在窗口的左下角即可看到晶面数据（Reflection：100,2-Theta:4.7）
备注：如果在点击绿色竖短线后左下角不出现晶面数据，则点击View，再单击Status Bar，使其前边带有对号√，即可。
如下图所示：。
MaterialsStudio绘制尖晶石晶胞教程
Materials Studio 绘制尖晶石(spinel/MgAI 2O 4)晶胞教程1.打开MS ,新建工作区，文件名需英文。
M M E-r ull r'.udioFie kfet View iModiFy fimld Taok SiffEstiai J4aduln Window Helpi 中淀盘口* 斷dtwc&l■ wre^iT)2.右键左边 spine 2new ^3D AtoIQ 11 ±1 tudio -A - as〔-"ir吒厭 疋/風 inzw .1 rz 门苗"• |：£「占5 ->：i-.-：ii -； 芋I --------------- --------------------■ CjbEtfte ■ iftew pfcvpeci Open jin exi%ting prujrd:iftecenC pro^ec^My f avorlin- llviiilledll 11* T«Huritbediiii fl咖 l<122Q17ZWZ 14 125>fuCl^ f1 KB1 KB□1 - StuccoFJ^ &M: View w©dliy Buald "T OC M B Siafci&tcs Modkiles Wincfci^ Help_ □XU ・ 勺电 色 | ® |、T ▼ ▼ 乂 ife ® | ：t 4' 41-* H | j 亡 f 备 a▼ ,4 »》弋 ■■ » J » 亍」. •闻 ” "J] * *1 "i i n *id■.| X* 矢 A --■■tt* Hr* ・■* 吃♦- EJ* G* 色,审篦看 W* ■* ▼ S'* •爭 feL* 3®* 學讶 #*U ” J ▼ A~~ ii3 Build---crystals---build crystal 。
建立晶体模型的步骤
利用materials studio建立晶体模型的步骤2006-11-12 12:26建立模型是利用materials studio进行任何计算的前提，materials studio可以建立各种材料的结构包括晶体、玻璃、有机物等，下面介绍建立晶体模型的步骤。
1、启动materials studio时会提示：create a new project or open an existing project 在这里选择create a new project，然后会出现的窗口选择new project保存的目录和名称，这里选择默认，默认的保存目录为C:\Documents and Settings\yugang\My Documents\Materials Studio Projects，project名称为untitled；2、在project窗口内，untitled右键new/3D atomistic Document.xsd，以建立保存材料结构模型的文件，在所打开的文件窗口可以建立、编辑所建立的各种模型这是所有计算的前提；3、然后在菜单栏build/crystals/build crystal4、出现的build crystal窗口中有三个标签，第一个是选择晶体所在的空间群space group，以NaCl晶体为例空间群为FM-3M(225)，在第二个标签lattice parameters中填写晶格常数，由于是立方晶系只需填一个length a；完成后选择build将回到原3D窗口将看到一个晶格框架；5、通过工具栏或者build/add atom 出现添加原子窗口，首先添加Na，坐标a、b、c为0，再添加Cl原子a、b、c坐标为（0，0.5，0）这样，NaCl晶体就建立起来了6、在3D模型文件窗口右键出现的菜单选择display style窗口选择显示模式，选择ball and stick7、完成后NaCl晶体模型为说明：在建立模型输入原子坐标是只输入不同原子的一个坐标，这里的不同包括种类不同和位置不同，之所以只需输入一个是因为先选择了空间群，在空间群的限制下，与该坐标相对应的对称位置都被添加上原子。
Materials studio的应用实验内容
Materials Studio 实验资料说明：1、所有实验结果请保存在F盘下，文件夹名不能出现中文。
自己的实验结果复制后请删除。
2、实验报告不要封面。
3、实验报告首页顶端写明：班级、学号、姓名实验报告内容包括：实验项目名称；每一任务的实验要求内容；每一任务的验步骤；按实验要求所得的实验结果。
任务一建立结构模型是Materials studio的基础，进一步的计算和分析大多都需要在模型的基础上进行内容：建立四方结构P4mm的钛酸钡模型步骤:1、把电脑时间调整为2006年1月（为了方便findit软件使用）2、打开findit软件，在元素周期表里面点选Ba、Ti、O，下面大方框内出出现（Ba and Ti andO）字样，点选大方框左边的exclusive AND然后search3、点击Space Group，按该列排列，拖动上一栏滚动条至Space Group为P4mm，选择一个Ba1 O3 Ti1的条目，则下面一栏出现该条目内容其中Unit Cell 条目为晶胞的参数及夹角最下面Atom下的内容为各原子相对坐标4、打开Materials studio，Create a new proj，命名为学号5、菜单View-》Explorers-》properties explorer，打开参数对话框（在屏幕左下），此对话框可以看到点选的原子或键的参数。
6、菜单file-》new-》3D atomistic7、菜单Build-》crystals-》Build crystal8、Enter Group 输入四方向钛酸钡对应的点群p4mm，Lattic Parameters选项卡下面输入上面查得的晶胞参数，对于立方晶系，a=b≠c，夹角都是90°9、菜单build-》add atoms（或者点工具栏上按钮），点击Option选项卡，去掉Test for bonds…前面的勾10、点击Atom选项卡，点击elemelt 后面的省略号按钮，在元素周期表中选择Ba；并按照上面（步骤3）查到的相对坐标输入，Add11、对比右下角的三维坐标轴方向，观察所加入原子的位置及坐标12、依次加入其它原子，（加入O原子的坐标有两行，如第一行坐标的z≠0，可能造成生成的图形少一个O原子）13、菜单Build-》bonds-》calculate 生成键，14、右键Display Style 选择ball andstike，生成球棒图15、通过工具栏上的3D viewer Rotation mode按钮（箭头按钮后面）旋转所生成的图形，并观察，（方向键也可以实现旋转）16、如果旋转时图形闪烁，有的角度看不到，可通过菜单Tools-》Option-》Graphis选项卡，关闭硬件加速（前面打勾）。
Materials Studio操作步骤(本人原创)
第3章铁基块体非晶合金-纳米晶转变的动力学模拟过程3.1 Discover模块动力学模拟3.1.1 原子力场的分配在使用Discover模块建立基于力场的计算中，涉及几个步骤。
主要有：选择力场、指定原子类型、计算或指定电荷、选择non-bond cutoffs。
在这些步骤中，指定原子类型和计算电荷一般是自动执行的。
然而，在某些情形下需要手动指定原子类型。
原子定型使用预定义的规则对结构中的每个原子指定原子类型。
在为特定的系统确定能量和力时，定型原子使工作者能使用正确的力场参数。
通常，原子定型由Discover使用定型引擎的基本规则来自动执行，所以不需要手动原子定型。
然而，在特殊情形下，人们不得不手动的定型原子，以确保它们被正确地设置。
图 3-1调出选择原子窗口图3-2 选择原子窗口计算并显示原子类型：点击Edit→Atom Selection，如图3-1所示。
弹出对话框，如图3-2所示。
从右边的…的元素周期表中选择Fe，再点Select，此时所建晶胞中所有Fe原子都将被选中，原子被红色线圈住即表示原子被选中。
再编辑集合，点击Edit→Edit Sets，如图3-3、3-4所示。
图3-3 编辑集合图3-4 设定新集合弹出对话框见图3-4，点击New...，给原子集合设定一个名字。
这里设置为Fe，则3D视图中会显示“Fe”字样，再分配力场：在工具栏上点击Discover按钮，从下拉列表中选择Setup，显示Discover Setup对话框，选择Typing选项卡，见图3-5。
图3-5 给原子添加力场在Forcefield types里选择相应原子力场，再点Assign（分配）按钮进行原子力场分配。
注意原子力场中的价态要与Properties Project里的原子价态（Formalcharge）一致。
3.1.2体系力场的选择点击Energy选项卡，见图3-6。
图3-6 Energy选项卡图3-7 力场下拉菜单力场的选择：力场是经典模拟计算的核心，因为它代表着结构中每种类型的原子与围绕着它的原子是如何相互作用的。
MaterialsStudio软件辅助晶体结构教学-最新教育资料
MaterialsStudio软件辅助晶体结构教学-最新教育资料Materials Studio软件辅助晶体结构教学0 引言晶体的结构及其规律性是固体物理课程的重要组成部分，同时也是材料科学与基础、固体电子学等课程的重要基础内容[1-4]。
其所涉及的晶体结构复杂，概念、原理抽象，学生普遍反映难学、教师感觉难教。
鉴于晶体结构的教学对于后续课程内容的基础地位，如何激发学生学习这部分内容的兴趣进而提高教学效果，教师教学观念的转变、教学方法的改进以及先进教学手段的引入就显得尤为重要。
Materials Studio是一款功能强大，操作简便且可在一般PC机上运行的分子模拟软件[5]。
该软件不仅能方便地建立各种晶体的三维结构模型，还能计算和模拟晶体的X射线、中子及电子等粉末衍射图谱，进而确定晶体的结构[6-7]。
本文选取晶体结构教学中晶体的结构及其对称性、晶胞/原胞、晶面/晶向、X射线衍射等概念及原理，使用Materials Studio分子模拟软件对这些知识点、概念及原理进行了可视化及具体的计算分析，以期为提高晶体结构的教学效果提供参考。
1 Materials Studio （MS）软件应用1.1 直观显示晶体结构，加深对晶体对称性的认识从MS软件菜单命令File→Import→Structure中导入不同的晶体结构，图1给出了超导体YBa2Cu3O7的晶体结构，向学生直观、生动形象地展示了YBa2Cu3O7晶体的3D结构，以开阔学生的视野；通过旋转、移动、缩放所建晶体结构，使学生从不同角度观察认识所建的晶体结构及其对称性；再从菜单命令Build→Show Symmetry→Symmetry Group，向学生讲解菜单对话框中各种符号的含义，加深学生对晶体对称性的认识。
1.2 晶胞、原胞的区别晶胞与原胞是晶体学中两个重要且易混淆的概念。
在教学中一般告诉学生原胞是晶体中最小的周期性重复单元，而晶胞是晶体最小周期性重复单元的几倍。
Material_Studio建模课程论文
HUNAN UNIVERSITY《材料设计与计算机模拟》课程实验报告年 月 日学生姓名：学生学号：专业班级： 学院名称： 指导老师：一设计目的(1)熟悉Materials Studio操作界面(2)掌握Materials Studio的晶体结构建模操作(3)了解Materials Studio中CASTEP模块的基本知识(4)通过Materials Studio计算预测基本物性二设计设备Personal ComputerMS Modeling 5.5三设计内容1构建模型查阅参考文献，获得氯化钠的晶体结构数据，如错误！未找到引用源。
所示。
从表一可知，氯化钠结构所属空间群为Fm-3m，对应空间群编号为No. 225。
(verify)(what is:/?)在Materials Studio中构建氯化钠（Sodium chloride）模型，模型如错误！未找到引用源。
（a）所示,(b)为氯化钠结构的初基单胞（Primitive Cell）。
首先激活Build→Build Crystal,在Space Group项中选择225号空间群，在Lattice Parameters填入5.6402，应用后氯化钠结构即创建完成，通过改变3D模型的显示样式等设置使模型呈现最佳视角。
图1氯化钠晶体结构Figure1 The structure of Sodium chloride在Matrials Studio界面中，通过view→Explorer→Properties Explorer激活Properties窗口，查看构建的氯化钠模型的信息，部分信息如表2所示。
同时，注意到模型创建、计算过程中激活了Project Explorer和Job Explorer两个窗口。
表2氯化钠晶体结构数据Table 1 The structure data of Sodium chloride2结构优化2.1优化初始条件（status）type of calculation : density of statesplane wave basis set cut-off : 370.0000 eVusing functional : Perdew Burke Ernzerhof Spin= 1 of 1, K-point= 51 of 602.2优化结果表3优化后氯化钠晶体性质图1优化结果可视化电荷密度3结构计算弹性常数计算（Elastic Constants）=============================================== Elastic constants from Materials Studio: CASTEP ===============================================Summary of the calculated stresses**********************************Strain pattern: 1======================Current amplitude: 1Transformed stress tensor (GPa) :-0.576539 -0.000000 -0.000000-0.000000 -0.703165 0.041960-0.000000 0.041960 -0.703165Current amplitude: 2Transformed stress tensor (GPa) :-0.685731 -0.000000 -0.000000-0.000000 -0.728068 0.015238-0.000000 0.015238 -0.728068Current amplitude: 3Transformed stress tensor (GPa) :-0.795302 -0.000000 -0.000000-0.000000 -0.756537 -0.010879-0.000000 -0.010879 -0.756537Current amplitude: 4Transformed stress tensor (GPa) :-0.891683 -0.000000 -0.000000-0.000000 -0.776895 -0.034036-0.000000 -0.034036 -0.776895Stress corresponds to elastic coefficients (compact notation): 1 7 7 4 0 0as induced by the strain components:1 1 1 4 0 0Stress Cij value of value ofindex index stress strain1 1 -0.576539 -0.0030001 1 -0.685731 -0.0010001 1 -0.795302 0.0010001 1 -0.891683 0.003000C (gradient) : 52.750150Error on C : 1.120673Correlation coeff: 0.999549Stress intercept : -0.7373142 7 -0.703165 -0.0030002 7 -0.728068 -0.0010002 7 -0.756537 0.0010002 7 -0.776895 0.003000C (gradient) : 12.482950Error on C : 0.547309Correlation coeff: 0.998083Stress intercept : -0.7411663 7 -0.703165 -0.0030003 7 -0.728068 -0.0010003 7 -0.756537 0.0010003 7 -0.776895 0.003000C (gradient) : 12.482950Error on C : 0.547309Correlation coeff: 0.998083Stress intercept : -0.7411664 4 0.041960 -0.0030004 4 0.015238 -0.0010004 4 -0.010879 0.0010004 4 -0.034036 0.003000C (gradient) : 12.705250Error on C : 0.293880Correlation coeff: 0.999465Stress intercept : 0.003071============================Summary of elastic constants============================id i j Cij (GPa)1 1 1 52.75015 +/- 1.1214 4 4 12.70525 +/- 0.2947 1 2 12.48295 +/- 0.387=====================================Elastic Stiffness Constants Cij (GPa)=====================================52.75015 12.48295 12.48295 0.00000 0.00000 0.00000 12.48295 52.75015 12.48295 0.00000 0.00000 0.00000 12.48295 12.48295 52.75015 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 12.70525 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 12.70525 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 12.70525========================================Elastic Compliance Constants Sij (1/GPa)========================================0.0208452 -0.0039889 -0.0039889 0.0000000 0.00000000.0000000-0.0039889 0.0208452 -0.0039889 0.0000000 0.00000000.0000000-0.0039889 -0.0039889 0.0208452 0.0000000 0.00000000.00000000.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0787076 0.00000000.00000000.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.07870760.00000000.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.00000000.0787076Bulk modulus = 25.90535 +/- 0.454 (GPa)Compressibility = 0.03860 (1/GPa)Axis Young Modulus Poisson Ratios(GPa)X 47.97270 Exy= 0.1914 Exz= 0.1914Y 47.97270 Eyx= 0.1914 Eyz= 0.1914Z 47.97270 Ezx= 0.1914 Ezy= 0.1914====================================================Elastic constants for polycrystalline material (GPa)====================================================Voigt Reuss HillBulk modulus : 25.90535 25.90535 25.90535 Shear modulus (Lame Mu) : 15.67659 14.90494 15.29076 Lame lambda : 15.45429 15.96872 15.71151光学性质计算（Optical Properties）能级、电子态密度计算（Band Structure，Density of State）。
计算材料学实验(燕友果)实验七 利用 material studio研究晶体材料性能
实验七利用Material Studio研究晶体材料性能一、实验目的1、了解Material Studio(MS)软件中有关固体材料科学设计各个模块功能；2、掌握在MS软件Materials Visualizer 子模块中创建晶体结构模型；3、掌握在MS 材料计算软件中研究晶体材料性质的方法；4、掌握查看和分析晶体材料属性的方法。
5、分析AlAs晶体的晶格常数、态密度、能带图等性质.二、实验原理及方法1.1 CASTAP 介绍CASTAP是特别为固体材料学而设计的一个现代的量子力学基本程序，其使用了密度泛函(DFT）平面波赝势方法，进行第一原理量子力学计算，以探索如半导体，陶瓷，金属，矿物和沸石等材料的晶体和表面性质。
Material Studio使用组件对话框中的CASTAP选项允许准备，启动，分析和监测CASTAP服役工作。
计算：允许选择计算选项（如基集，交换关联势和收敛判据），作业控制和文档控制。
分析：允许处理和演示CASTAP计算结果。
这一工具提供加速整体直观化以及键结构图，态密度图形和光学性质图形。
CASTAP计算可以进行单个点的能量计算，几何优化或分子动力学计算，也可提供这些计算中的每一个以便产生特定的物理性能。
性质为一种附加的任务，允许重新开始已完成的计算以便产生最初没有提出的额外性能。
CASTAP能量任务允许计算特定体系的总能量以及物理性质。
1.2 CASTAP几何优化任务CASTAP几何优化任务允许改善结构的几何，获得稳定结构或多晶型物。
通过一个迭代过程来完成这项任务，迭代过程中调整原子坐标和晶胞参数使结构的总能量最小化。
1.3 CASTAP动力学任务CASTAP动力学任务允许模拟结构中原子在计算力的影响下将如何移动。
1.4 CASTAP性质任务CASTAP性质任务允许在完成能量，几何优化或动力学运行之后求出电子和结构性质。
可以产生的性质如下：1）态密度（DOS）：利用原始模拟中产生的电荷密度和势能，非自恰计算价带和导带的精细Monkhorst-Pack 网格上的电子本征值。
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2012级专业课程设计（Ⅱ）
题目：利用material studio软件制作CaTiO3的晶体结构姓名：文美乐
班级：应物1203
学号：121410020322
指导教师：王会娴
一、课程设计目的、意义
目的：
1. 根据课堂讲授内容，我们做相应的自主练习，便于消化课堂所讲解的内容。
2. 通过多次反复调试程序进而积累相应的经验。
3. 通过完成要求的课题，逐渐培养学生的编程能力，用计算机解决实际问题的能力。
意义：
1. 有助于加深我们对操作软件MS的理解，通过课程设计，我们可以真正理解其应用方向，应用方法。
2. 有利于我们空间思维的锻炼，MS制图能直接有效地训练学生的立体思维、培养分析问题、解决问题能力。
即使是一个简单的空间绘图，依然需要学生有条不理的构思。
3. 有利于培养严谨认真的学习态度，在软件应用过程里，如果不够认真或细心，可能就无法得出正确的运行结果。
我们反复调试，反复修改的过程，其实也是对我们认真严谨治学的一个锻炼。
应用：
1．MaterialsStudio 在晶体结构教学中的应用
在涉及晶体结构的课程中，学生往往需要掌握晶体的结构和对称性，但单纯板书式教学对学生的理解作用不大，利用MaterialsStudio 的建模功能可以方便的建立各种晶体的三维模型，直观化的展示其结构和对称性等特点。
2．MS在能带结构计算中的应用
固体中电子能带结构的计算是固体物理学的主要理论问题，晶体电子能带的理论计算方法很多，但对学生的知识结构要求很高，学生学习起来往往感到无从下手。
而只有让学生参与实际晶体的能带结构计算，学生对该部分内容的理解才更加深刻。
MaterialsStudio中的CASTEP模块可以完成此方面的内容。
CASTEP基于总能量的平面波赝势理论，运用原子数目和种类来预测和计算包括晶格参数、分子对称性、结构性质、能带结构、固态密度、电荷密度和波函数、光学性质。
由于避免了繁杂的理论推导，一般学生可以很快上手，把重点放到计算结果的分析和讨论上，激发了学生的学习兴趣。
3.MaterialsStudio在X射线衍射教学中的应用
X射线衍射内容在固体物理中占有重要地位，通过X射线衍射实验，人们可以对未知晶体进行结构标定.而一般的固体物理教材只介绍X射线衍射的原理，学生对其应用知之甚少。
我们利用Mater ialsStudio中的Reflex模块模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱，确定晶体的结构、解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。
4．MS在理论化学计算软件的应用
在众多材料化学理论计算软件中，MS是比较合适一般学生使用。
可视化是深奥的材料周期性结构和结果直观表达。
MS的操作简单，让学生容易接受，是适合用来作为材料研究的计算软件。
二、课程设计具体内容。
1、能够生成Projects ，打开已有的晶体结构并且观察3D 文档（生成一个Projects，打开已有的晶体结构并且观察3D 文档，显示三维棍棒型的图形）2幅图
生成一个Projects
打开已有的晶体
2、能够绘制有机分子（制一幅有机分子图，并显示键长和键角）
绘制苯甲酰胺分子
a.
b. 加H；
旋转方向后如下图
c.测键长
d.测键角
3、绘制CaTiO3 晶体的晶体结构，要求给出具体的操作过程，并把Ca、Ti、O名称标在相应的原子上，给出原子的坐标。
（1）打开一个新的3D Viewer，从Build菜单选择Crystal下的Build Crystal打开相关的晶体模建对话框。
在Space Group栏中，选择Enter Group，输入PM-3M，在Lattice Paramenters栏中，在相应的地方输
入CaTiO3 晶体的晶胞参数a=b=c=3.893A。
按下Build 按钮，一个空的晶胞就会出现在文档中，关闭对话框。
（2）Atom and Bond 工具栏上单击Add Atoms按钮，打开Add Atom 对话框。
加入Ti原子，坐标为（0.5,0.5,0.5），加入Ca原子，坐标为（0,0,0）。
加入O原子，坐标为（0.5，0.5，0）。
给原子标记：按Ctrl选中相同原子，在3D viewer上按右键，选择label 打开对话框。
在Custom text中分别输入原子的名称Ca，Ti，O按Apply，如图，Ca，Ti，O出现在选中的原子上。
原子坐标：
四、设计总结、感想。
此次课程设计虽然只有短短四周，但每周课程都相当充实。
一些学习资料本该是同学们自己搜寻的，但老师很贴心的帮忙搜集了最有
效的，最易懂的课程相关资料，并分发到同学们各自的电脑上。
前期由于我要考研，老师很体谅的放松了我们学习的时间，给我们充分的考研冲刺动力。
考研结束后，为了不影响，并赶上其他同学，老师充分为我们解答课程问题。
经过老师多方面的指点，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟。
课程设计是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门教学习方法的课程，给了我很多学习上的启示，我们要掌握自学的方法，要有自学的精神，发扬独立自主的精神，网络很便捷，我们可以通过网络了解我们学习的课程，也可以通过去图书馆查阅的方式更深入的学习感兴趣的课题。
课上精力毕竟有限，我们平时也应注意掌握这些软件的使用。