计算材料学实验
计算材料学实验（燕友果）实验二：分子动力学模拟-水分子扩散系数
实验二：分子动力学模拟-水分子扩散系数一、前言分子动力学模拟的基本思想是将物质看成是原子和分子组成的粒子系统（many-body systems ），设置初始位能模型，通过分析粒子的受力状况，计算粒子的牛顿运动方程，得到粒子的空间运动轨迹，可以求得复杂体系的热力学参数以及结构和动力学性质。
分子动力学模拟的理论是统计力学中的各态历经假说(Ergodic Hypothesis)，即保守力学系统从任意初态开始运动，只要时间足够长，它将经过相空间能量曲面上的一切微观运动状态，系统力学量的系综平均等效力学量的时间平均，因此可以通过计算系综的经典运动方程来得到力学量的性质。
比如，由N 个粒子组成的系综的势能计算函数为：int U U U VDW += (1-1)VDW U 表示粒子内和粒子之间的Van der Waals 相互作用；int U 表示粒子的内部势能（键角弯曲能，键伸缩能、键扭转能等）；根据经典力学方程，系统中第i 个粒子的受力大小为：U k z j y i x U F i i i i i ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=-∇= (1-2) 那么第i 个粒子的加速度可以通过牛顿第二定律得到：()()ii i m t F t a = (1-3) 由于体系有初始位能，每个粒子有初始位置和速度，那么加速度对时间进行积分，速度对时间积分就可以获得各个任意时刻粒子的速度和位置： i i i a v dt d r dtd ==22 (1-4) t a v v i i i +=0 (1-5)20021t a t v r r i i i i ++= (1-6) i r 和v 分别是系统中粒子t 时刻的位置和速度，0i r 和0i v 分别是系统中粒子初始时刻的位置和速度。
依据各态历经假说，可获得任意物理量Q 的系综平均，因此得到体系的相关性质：()()[]dt t r Q t t Q Q t t ⎰∞→==01lim (1-7) 分子动力学模拟能够计算体系的能量，粒子间的相互作用，角动量，角度以及二面角分布，剪切粘度，结构参数，压力参数，热力学参数，弹性性质，动力学性质等。
实验指导书(一)-第一性原理方法计算
《计算材料学导论》实验指导书实验一：第一性原理方法计算模拟化合物的晶体结构和电子结构实验目的：1）近十年来，随着计算机技术和材料科学的发展，基于密度函数理论的第一性原理方法计算在材料科学中的应用十分普遍和活跃，发展异常迅速。
其应用领域涉及材料晶体结构优化，态密度和能带结构等电子结构，掺杂效应，相变热力学、光、电磁学性质的计算和设计。
量子化学计算软件包较多，如免费软件包ABINIT(详见教材), 商业化软件包V ASP, CASTEP，GAUSSIAN。
本实验运用VASP4.6软件包，计算AB型的ZnS或相似结构的晶体结构和电子结构。
实验要求：2）首先完成下列基础知识的问答填空，然后运用运用V ASP4.6软件包，计算AB型的ZnS或相似结构的晶体结构和电子结构，并画出图形。
实验内容:(一) 基础填空1) 简述第一性原理方法（或从头算）的基本概念。
（）2）简述第一性原理方法在材料科学中有哪些具体应用？（）3) 什么叫多粒子体系的总能？（）4) 什么叫能带结构？它是如何形成的？（）（二）第一性原理方法计算模拟AB型化合物（如ZnS）的晶体结构和电子结构。
1.ZnS具有多种晶形，如闪锌矿结构(The Zincblende (B3) Structure)和纤锌矿结构（The Wurtzite (B4)Structure）,与之结构相同的化合物还有很多，不少化合物具有独特的光电特性。
请根据计算指南和模板，计算ZnS或者ZnO, SiC, AlN, CdSe，AgI, AlAs, AlP, AlSb, BAs, BN, BP, BeS, BeSe, BeTe, CdS,CdSe,CdTe, CuBr, CuCl, CuF, CuI, GaAs, GaP, GaSb, HgS, HgSe, HgTe, INAs, InP, MnS, MnSe, SiC, ZnSe, ZnTe)的晶体结构（含晶胞参数a,b,c,V，原子位置的可变内部参数），电子结构(含态密度（含总态密度，分态密度）和能带结构。
大学计算材料学教案
大学计算材料学教案《计算材料学》教案一、教学目标1.掌握计算材料学的基础理论和方法，了解计算材料学的发展历程和前沿研究领域。
2.能够运用计算材料学的理论和方法，对材料进行结构设计、特性预测和性能优化等方面的研究和开发工作。
3.学会使用计算机和软件对材料进行模拟仿真和实验数据分析，能够编写和调试计算程序和算法。
二、教学内容1.计算材料学的概念和基本原理(1)计算材料学的定义和发展历程。
(2)量子力学、能带论和密度泛函理论等基础理论。
(3)分子动力学、蒙特卡罗模拟等材料计算方法。
2.计算材料学在材料设计与性能预测中的应用(1)材料结构的计算设计和材料特性的预测。
(2)固体缺陷和界面的计算模拟。
(3)新材料的计算设计、合成和性能优化。
(4)材料在界面、表面和纳米尺度下的行为和性能计算。
3.计算材料学的实验数据分析和验证(1)材料实验数据的统计分析和处理。
(2)材料实验和计算结果的对比和验证。
(3)材料计算方法的精度评估和发展方向。
4.计算工具和软件环境(1)计算机及其相关技术。
(2)主流材料计算软件和工具的使用和编写。
(3)计算平台的配置和优化。
三、教学方法本课程采用传统讲授和案例分析相结合的教学方法，通过理论讲解、案例演示、实验操作等方式，加强理论和实践的结合，增强学生对计算材料学掌握和应用的能力。
四、教学要点1.了解计算材料学的基本原理和方法，掌握计算材料学的发展历程。
2.熟悉量子力学、能带论和密度泛函理论等基础理论，掌握分子动力学、蒙特卡罗模拟等计算方法。
3.掌握材料结构的计算设计和材料特性的预测，能够研究固体缺陷和界面的计算模拟。
4.能够进行新材料的计算设计、合成和性能优化，了解材料在界面、表面和纳米尺度下的行为和性能计算。
5.熟悉材料实验数据的统计分析和处理，能够对材料实验和计算结果进行对比和验证。
6.掌握计算工具和软件环境，了解主流材料计算软件和工具的使用和编写。
五、实验安排1.材料性能和结构的计算和模拟。
计算机在材料科学与工程中的应用75465
学生实验报告书实验课程名称计算机在材料科学与工程中的应用第一部分：实验分析与设计一、实验内容描述1、了解方差分析原理，掌握实验数据方差分析方法。
2、分析运算结果，对实验结果作出正确解释、二、实验基本原理与设计方差分析(Analysis of Variance，简称ANOVA)，又称“变异数分析”或“F检验”，是R.A.Fisher发明的，用于两个及两个以上样本均数差别的显著性检验。
由于各种因素的影响，研究所得的数据呈现波动状。
造成波动的原因可分成两类，一是不可控的随机因素，另一是研究中施加的对结果形成影响的可控因素。
方差分析试验是是数据的一种统计方法在工农业生产和科学研究中经常要分析各种因素之间的交互作用对研究对象某些指标的影响。
在方差分析中，把实验数据的总波动分为由所考虑因素所引起的波动和随机因素引起的波动，然后通过分析比较这些变差来分析哪些因素对指标的影响是显著的，哪些是不显著的。
双因素有交互效应的方差分析：在两个因素的试验中，不单每一个因素对结果有影响，两个因素的不同水平相组合对结果也会产生影响。
在方差分析中叫做交互效应。
三、主要仪器设备及耗材计算机一台，origin软件第二部分：实验调试与结果分析一、调试过程在7个不同的实验室对某材料的铬质量分数进行测量，每个实验室测量了6次，测量结果列入表5-1。
试通过方差分析探讨不同实验室因素对测量结果是否有显著性影响。
表5-1测量次数实验室1 实验室2 实验室3 实验室4 实验室5 实验室6 实验室71 2.065 2.073 2.080 2.097 2.053 2.084 2.0522 2.081 2.081 2.090 2.109 2.055 2.044 2.0613 2.081 2.077 2.070 2.073 2.050 2.084 2.0734 2.064 2.050 2.080 2.089 2.059 2.076 2.0365 2.107 2.077 2.090 2.097 2.053 2.093 2.0486 2.077 2.077 2.100 2.097 2.061 2.073 2.040 拟用origin软件进行双因素方差分析该组数据。
计算材料学作业
计算材料学作业用第一原理预测AIAs的晶格参数⏹本实例主要是阐明在Materials Studio当中如何运用量子力学来测定物质的晶体结构。
你将从中学到如何构建晶体结构以及如何设置CASTEP几何优化运行和分析结果。
⏹本实例的内容如下：1. 构建AlAs的晶体结构2. 设置和运行CASTEP中的计算3. 分析结果4. 比较实验数据和结构1. 构建AlAs的晶体结构空间群是F-43mAl的分数坐标：(0 0 0）(1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) （0 1/2 1/2）As的分数坐标：(3/4 3/4 3/4）(1/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 1/4) （3/4 1/4 1/4）⏹为了构建晶体结构，我们需要知道你想要构建的晶体的空间群信息，晶格参数以及它的内部坐标。
以AlAs为例，它的空间群是F-43m或空间群数字是216。
它有两种基本元素Al和As ，其分数坐标分别为（0 0 0）和（0.25 0.25 0.25）。
它的晶格参数为5.6622埃。
⏹第一步是构建晶格。
在Project explorer的跟目录上右键单击，选中New | 3D Atomistic Document。
接着在3D Atomistic Document右键单击，把它更名为AlAs。
从菜单中选择Build | Crystals | Build Crystal，然后显示出Build Crystal对话框，如下：在Enter group中选择F-43m或在Enter group中单击，然后键入216，再按下TAB键.(空间群信息框中的信息也随着F-43m空间群的信息而发生变化)选择Lattice Parameters标签，把a的数值从10.00改为5.662。
单击Build按钮。
一个没有原子的晶格就在3D model document中显示出来。
点击图中凹陷的图标，可旋转晶格，显示其立体结构。
从菜单栏中选择Build | Add Atoms。
计算机在材料科学中的应用上机实验三
计算机在材料科学中的应用上机实验三一、材料析晶温度范围的图解方法析晶：玻璃工业中称玻璃态物质转变为结晶物质的过程。
通常利用梯温炉来测定玻璃态材料的析晶温度。
确定析晶温度范围的方法：①人工将试样结晶点与“炉长—温度”曲线对照：试样放在瓷舟中，先将梯温炉加热到规定温度后放入瓷舟保温，保温结束，将瓷舟迅速取出，稍冷，观察玻璃态物质表面结晶情况。
高温段，晶体消失处为析晶上限，低温段，晶体不生长处为析晶下限，用笔在瓷舟周边做出析晶上、下限的标记炉口距析晶上、下限的距离。
做出“炉长—温度”曲线，将瓷舟排列在梯温曲线图上，以瓷舟上的析晶上、下限标记点作垂线，使之与梯温曲线相交，再从交点作水平线与纵轴相交，即得析晶温度范围。
②计算机计算：实验找出炉口距析晶上、下限的距离，做出“炉长—温度”曲线，通过添加趋势线拟合梯温曲线，求出曲线方程，将炉口距析晶上、下限的距离值带入方程，计算出析晶温度范围。
（1）数据的输入以1cm的长度间隔测定“炉长—炉温”曲线，共测定40cm炉长的温度，即有40对测定数据。
采用行输入方式。
本例中，炉口至析晶下限的距离为14.8cm，炉口距析晶上限的距离为29.1cm。
（2）梯温曲线的绘制①选择两行数据。
②单击“图表向导”按钮。
③图表类型：【标准类型】“XY散点图”，【子图表类型】“散点图”。
④单击“完成”。
（3）曲线图的修改①删除图例：选中图例，右键，“清除”。
②修改横坐标的刻度：选中X轴，右键，“坐标轴格式”，【刻度】，“最大值(X)”由“60”→“50” ，“主要刻度单位(A)”由“20”→“10” 。
③修改纵坐标的刻度：选中Y轴，右键，“坐标轴格式”，【刻度】，“最小值(N)”由“0”→“400”，“最大值(X)”由“1400”→“1200”，“主要刻度单位(A)”由“200”→“100” 。
④添加图表、坐标轴标题：选中图形，右键，“图表选项”。
【标题】“图表标题(T) ” ：梯温曲线图（姓名）；“数值(X)轴”：炉长/ cm；“数值(Y)轴”：温度/ ℃。
计算机在材料科学中的应用实验报告一
在Origin的左侧有一列“Tools”绘图工具按钮，主要功能包括屏幕控制、数据读取和绘图等。
（二）XRD分析软件
常用的XRD分析软件有：Pcpdgwin、High score、Jade。
Jade 5.0软件的主要功能：
1、基本功能
a、BG扣衬底（去掉Kα）、平滑、寻峰、多重记录；
C单峰检索：在计算峰面积的基础上点击S/M
⑥图谱拟合：扣除背景线、平滑处理后点击Fit Profile
四、问题讨论
1、实验中关于截屏一般用windows自带的print screen sysrq。但是它截得图是全图，使用一些其它软件截图会更加的方便如QQ截图；
2、再输入一些特殊字符时使用搜狗带的软键盘会很方便的；
图一
图二
图三
图四
图五
图六
（二）XRD数据分析及图谱处理
①用Tool bar→BG扣除背景和Kα2线的扣除
②用Smooth All按钮对图形进行平滑处理
③analyze→find peaks→apply标出峰值；用Peak Edit Cursor去掉不要的峰（图a）；选择analyze→find peaks。点击Report打开寻峰报告(图b)。
4、定量分析功能
RIR定量、内标法、外标法、标准添加法。
三、实验内容与结果
（一）Origin软件的使用
①按实验书输入实验数据；②作图一：导出浓度—粒径平滑曲线图；③作图二：导出双纵坐标曲线图;④作图三;在输入的图表中将单位改成103μm，导出图形；⑤作图四：双击图二，在弹出的对话框将图层一的细节改为“Dash;图形标记为★；加双坐标垂线；线型为线型Dot；⑥作图五：作3D图形；⑦作图六;将所有釉裂点改成红色，变横纵标增量为0.5，纵坐标增量为100.
计算材料学_Ising模型实验报告
Monte Carlo实验报告一、项目名称：Ising 模型二、项目内容概要1、编译和运行进入实验的文件夹：cd□~/sourcecode/2D_Ising文件夹里有源代码mc2d.f和输入文件in.2d阅读理解并编辑输入文件：gedit□in.2d之后编译mc2d.ff95 mc2d.f -o mc2d.exe运行可执行文件./mc2d.exe查看刚刚生成的四个输出文件，四个文件的内容如下：file1.out：温度；时间；单位原子能量；单位原子磁化强度file2.out：温度；单位原子能量；能量变化；单位原子磁化强度；磁化强度变化；单位原子热容file3.out：温度；自旋构型file4.out：温度；能量升高而被接受的数目；能量下降而被接受的数目；被拒绝的数目2、gnuplot 作图作温度与能量图：p “file2.out”u 1:2 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第2 列数据；作温度与磁化强度图：p “file2.out”u 1:4 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第4 列数据作温度与热容图：p “file2.out”u 1:6 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第6 列数据三、项目实施方法/原理1925 年，伊辛提出描写铁磁体的简化模型：设有N 个自旋组成的d 维晶格(d=1,2,3)，第i 格点自旋为Si=±1(i=1,2,…N; ±代表上下)。
只考虑最近邻作用，相互作用能为±J(J>0 为铁磁性, J<0 为反铁磁性)，平行为-J，反平行为J。
伊辛模型的蒙特卡洛模拟基本步骤如下：四、项目实施结果：1.各种情况下能量温度曲线能量温度 能量能量温度/K能量铁磁正方形点阵温度和能量曲线 铁磁三角形点阵能量与温度曲线能量温度/K能量温度/K反铁磁性正方形点阵能量温度曲线 反铁磁性正方形点阵外场为1时能量温度曲线能量能量/K势能温度/K反铁磁性正方形点阵外场为0.5时能量温度曲线2.各种情况下磁化强度和温度的关系曲线磁化强度温度/K磁化强度温度/K铁磁正方形点阵磁化强度能量曲线 铁磁三角形点阵磁化强度温度曲线磁化强度温度/K磁化强度温度/K磁化强度-温度反铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线 反铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线（外场为0.5）磁化强度温度/K磁化强度温度/K反铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线（外场为1） 铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线（外场为0.5）磁化强度温度/K铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线（外场为0.5）4.各种情况下热容和温度的关系图热容温度/K热容温度/K铁磁正方形点阵热容能量曲线铁磁三角形点阵热容能量曲线能量温度热容温度/K反铁磁正方形点阵热容能量曲线反铁磁正方形点阵热容能量曲线（外场为1）热容温度/K热容温度/K反铁磁正方形点阵热容能量曲线（外场为0.5） 铁磁正方形点阵热容能量曲线（外场为0.5）热容温度/K铁磁正方形点阵热容能量曲线（外场为1）五、项目小结：1.在保持原参数不变的情况下，可以得出，温度越高，原子热运动越剧烈，因此单个原子的能量也就越高。
2013《计算材料学》分子动力学部分实验手册
2013《计算材料学》分子动力学部分实验手册第一部分：系统和软件介绍1.Linux操作系统系统版本：Linux是一种自由和开放源码的类Unix操作系统，存在着许多不同的Linux版本，但它们都使用了Linux内核。
Linux可安装在各种计算机硬件设备中，比如手机、平板电脑、路由器、视频游戏控制台、台式计算机、大型机和超级计算机。
Linux是一个领先的操作系统，世界上运算最快的10台超级计算机运行的都是Linux操作系统。
实验室系统CentOS release 5，CentOS 是一个基于Red Hat Linux 提供的可自由使用源代码的企业级 Linux发行版本。
2.分子动力学软件LAMMPSLAMMPS-Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator, 大规模原子分子并行模拟器。
美国Sandia国家实验室开发，开放源代码且可以免费获取使用，使用者可以根据自己需要自行修改源代码。
LAMMPS可以支持包括气态，液态或者固态相形态下、各种系综下、百万级的原子分子体系，并提供支持多种势函数。
且LAMMPS有良好的并行扩展性。
材料领域，LAMMPS已经是准标准化的分子动力学软件。
LAMMPS官网：/使用LAMMPS:(1)输入一般至少包括两个：(a)input文件: LAMMPS命令集成在该文本中，可以包括MD相关的模型结构，弛豫条件，加载方式，输出内容等绝大多数信息。
具体每一行语句在官网上有详细的解释。
我们学习的一项主要内容是理解和改写input文件。
(b)势函数文件：将势函数的参数等信息独立出来，写成单独的一个文件，在input文件内调入使用。
(2)运行软件：保证当前目录下写好了input文件和势函数文件，终端上输入命令（串行）:(3)输出一般有三个部分：（所有输出都与input文件与输出相关的指令相关）(a)直接输出在屏幕上，一些程序运行的关键信息直接出现输出屏幕上，一般是整个体系的信息。
《计算材料学》有限元实验手册
• 有限元软件 MSC.MARC/MENTAT 简介
• MSC.MARC/MENTAT V2010 安装步骤 • 实验1 大锻件转子加热过程温度场模拟
• 实验2 带孔平板弹性变形模拟
• 实验3 大锻件转子加热过程温度场/应力场 耦合模拟
有限元软件 MSC.MARC/MENTAT 简介
网格划分 MESH GENERATION
细分单元
SUBDIVIDE DIVISIONS 40 5 1 ELEMENTS 1 DIVISIONS 20 5 1 ELEMENTS 2 RETURN
网格划分 MESH GENERATION
清除重复节点/单元，检查单元法线方向，重新编号
SWEEP ALL CHECK UPSIDE DOWN (2-D)ES
选取热分析类型，设置材料属性（热导率、比热、密度）
MATERIAL PROPERTIES ANALYSIS CLASS THERMAL NEW STANDARD THERMAL K 30 SPECIFIC HEAT 400 MASS DENSITY THERMAL VALUE 7800 OK
问题描述
ϕ 2m
2m ϕ 1m 2m
某汽轮机大锻件转子 的形状和尺寸如上图所示 。现将其置于温度为 900℃ 的炉中加热进行奥氏体化，其中奥氏体化温度为 840℃。炉与转 子的表面换热系数为 100 W/m2K ，转子的初始温度为 20℃，密度为 7800 kg/m3，热导率为 30 W/mK，比热为 400 J/kgK。试用有限元方法 模拟其加热过程，以确定最短加热时间保证转子能够完全奥氏体化。
材料属性 MATERIAL PROPERTIES
赋予单元材料属性
计算材料学实验（燕友果）实验二 利用gaussian进行几何优化（寻找过渡态）
实验二利用Gaussian 进行几何优化（寻找过渡态）一、实验目的1) 了解势能面、极小值、极大值、鞍点、最小能量途径的意义；2) 利用Gaussview 搭建分子模型，建立相Gaussian 09输入文件；3) 依据所建模型体系大小选择合适方法、基组，进行结构优化；4) 掌握结构优化结果文件分析，并利用Gaussview分析计算结果；5) 分析几何优化过程中相关量的优化过程，寻找乙胺分子两个异构体的过渡态。
二、实验原理以及方法势能面：由于分子自身几何构型微小变化产生的能量变化而绘制的能量图。
图1 势能面解析图几何优化：就是在势能面上寻找寻找极小值点，极小值点对应的几何构型就是分子可能的平衡几何构型。
优化方法：由初始构型开始，计算能量和梯度，决定下一步的方向和步长，其向能量下降最快的方向进行。
当只有当计算收敛的时候优化才会结束。
高斯默认的收敛标准：（这四个条件必须同时满足，才可认为得到了稳定的几何构型）1）力的最大值小于0.00045 ；2）力的均方根小于0.0003 ；3）于下一步计算的位移差小于0.0018 ；4）位移差均方根小于0.0012 。
三、实验仪器Gaussian 09，Gauss View，软件计算机四、实验步骤首先在Gauss View中构建分子构型（乙胺的两个异构体），然后分别进行几何优化，优化至能量最低值minimum，使用优化后的分子，分别使用两种方法寻找其过渡态TS，对两种方法计算的最终结果进行比较分析。
五、计算结果分析1）计算所用的乙胺分子如图2所示。
如图所示两个分子中-NH2的空间原子排布相互垂直，认为这两种构型对应乙胺分子势能面中的两个极小值点的构型，因此可以想象，过渡态所对应的分子构型应为-NH2在两种构型中间位置。
图2 乙胺分子的两种同分异构体2）软件判断收敛的标准如下截图所示，当计算所得分子的能量和梯度值（V alue）大于阈值（Threshold）时，将返回重新计算，只有当能量和梯度均小于阈值时，循环才会停止，此时即可判断为收敛。
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。
【精编范文】计算材料学word版本 (8页)
计算材料学，是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、 数学 、化学等多门学科。
随着科学技术的发展，科学研究的体系越来越复杂，传统的解析推导方法已不敷应用，甚至无能为力。计算机科学的发展和计算机运算能力的不断提高，为复杂体系的研究提供了新的手段。以材料这样一个典型的复杂体系为研究对象的新学科— 计算材料科学也应运而生，并迅速得到发展。
计算材料学主要包括两个方面的内容:一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程;另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。前者使材料研究不是停留在实验结果和定性的讨论上，而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性，有助于原始性创新，可以大大提高研究效率。
四、项目实施结果：
1.各种情况下能量温度曲线
能量
能量
温度/K
温度/K
铁磁正方形点阵温度和能量曲线 铁磁三角形点阵能量与温度曲线
能量
温度/K
反铁磁性正方形点阵能量温度曲线
能量
能量/K
反铁磁性正方形点阵外场为0.5时能量温度曲线
2.各种情况下磁化强度和温度的关系曲线强度
磁化温度/K
铁磁正方形点阵磁化强度能量曲线
4.out：温度；能量升高而被接受的数目；能量下降而被接受的数目；被拒绝的数目 2、gnuplot 作图
实验 报告
作温度与能量图：p “file2.out” u 1:2 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第2 列数据；
先进的计算材料学方法及其实验验证
先进的计算材料学方法及其实验验证计算材料学是一门涉及材料的计算、模拟和设计的学科。
它利用计算机分析和预测材料的特性和行为。
计算材料学的出现极大地推动了材料科学技术的发展，成为当今材料科学中的重要组成部分。
其中，先进的计算材料学方法是计算材料学中的关键因素之一。
那么这些方法是怎样实现的？它们又是如何进行实验验证的呢？第一种先进的计算材料学方法是分子动力学（MD）。
MD模拟的基本思想是用牛顿运动方程的数值求解方法，模拟长时间尺度下大分子和物质的运动。
它的实验验证是通过与实际实验对比来进行的。
例如，研究微纳米材料的变形本质和物性时，我们将通过分子模拟来研究其性质变化。
对于一些新材料的研究，我们可以通过分子模拟来预测材料的性质，以便与实际实验结果进行比较，以验证计算的准确性。
第二种先进的计算材料学方法是密度泛函理论（DFT）。
DFT 是由托马斯·库恩和沃尔特·科恩于1964年提出的一种量子化学计算方法，主要用于形象描述电子态、优化结构、计算热力学数据等。
DFT的实验验证是通过与可用的数据进行比较，例如，我们可以将计算材料的结构和能量与实验结果进行比较，以验证模拟的准确性。
DFT的模拟有许多方面，例如，研究新材料的电子结构、光电子属性或化学反应中的化学键的形成和断裂等。
第三种先进的计算材料学方法是分子动态学配运算法（MD穿越）。
它是一种计算材料模拟方法，使用的插值算法归结于大规模平衡模拟技术，其特点是能够直接模拟材料包括纳米尺度的物理性质和材料的多重化学反应。
MD穿越的实验验证是通过与实际实验结果进行检验来进行的。
例如，研究材料的弹性展开和温度稳定性时，我们将通过MD穿越模拟来研究其性质变化。
对于一些新材料的研究，我们将通过MD穿越模拟来预测材料的性质和反应，以便与实际实验结果进行比较，以验证计算的准确性。
综上所述，先进的计算材料学方法是计算科学在材料学中的应用，它为我们提供了预测、分析和设计材料性质的能力。
材料计算实验报告
实验名称：材料计算实验实验目的：1. 掌握材料计算的基本方法；2. 学会运用数学模型进行材料性能预测；3. 培养实验操作能力和数据处理能力。
实验原理：材料计算实验是研究材料性能的重要手段之一。
通过实验测量材料的物理、化学和力学性能，结合数学模型和计算方法，对材料性能进行预测和优化。
本实验以某种新型材料为例，通过测量其力学性能，运用有限元分析软件进行计算，预测其性能。
实验仪器：1. 万能试验机2. 电子天平3. 游标卡尺4. 有限元分析软件实验步骤：1. 样品制备：按照实验要求制备所需样品；2. 性能测试：使用万能试验机测试样品的力学性能，包括抗拉强度、屈服强度、伸长率等；3. 数据处理：将测试数据输入计算机，进行数据处理和分析；4. 有限元分析：运用有限元分析软件建立模型，对样品进行力学性能预测；5. 结果分析：对比实验结果与预测结果，分析误差原因。
实验数据：样品1：- 抗拉强度：500 MPa- 屈服强度：400 MPa- 伸长率：20%样品2：- 抗拉强度：520 MPa- 屈服强度：420 MPa- 伸长率：22%实验结果与分析：1. 通过实验测试，样品1和样品2的力学性能均达到预期目标；2. 运用有限元分析软件，对样品1和样品2的力学性能进行预测，预测结果与实验结果基本一致；3. 分析误差原因：实验过程中可能存在测量误差、样品制备误差等因素。
结论：1. 本实验通过材料计算方法，成功预测了新型材料的力学性能；2. 有限元分析软件在材料性能预测中具有重要作用；3. 在实际应用中，需注意实验误差，提高材料计算精度。
实验心得：1. 材料计算实验有助于提高我们对材料性能的认识，为材料设计和优化提供理论依据；2. 通过实验，我们学会了运用数学模型和计算方法进行材料性能预测；3. 实验过程中，我们锻炼了实验操作能力和数据处理能力，提高了综合素质。
实验改进建议：1. 提高实验精度，减少测量误差；2. 优化实验方法，提高实验效率；3. 结合多种实验手段，提高材料性能预测的准确性。
理论计算材料实验报告
一、实验目的1. 了解理论计算在材料研究中的应用；2. 掌握材料性能的理论计算方法；3. 分析计算结果，为实际材料设计提供理论依据。
二、实验原理材料性能的理论计算主要基于密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟方法。
本实验采用DFT方法对材料的电子结构、力学性能、热力学性能等进行计算。
三、实验材料选取一种新型合金材料作为研究对象，其化学式为AxB1-xC。
四、实验方法1. 建立材料模型：根据实验材料AxB1-xC的化学组成，构建相应的晶体结构模型。
2. 选择计算方法：采用DFT方法，使用密度泛函理论计算软件进行计算。
3. 计算参数设置：设置计算精度、积分网格密度、电子温度等参数。
4. 计算过程：进行电子结构、力学性能、热力学性能等方面的计算。
五、实验结果与分析1. 电子结构计算（1）能带结构：通过计算得到材料AxB1-xC的能带结构，分析其导电性、半导体特性等。
（2）态密度：计算材料的态密度，分析其电子态分布情况。
2. 力学性能计算（1）弹性模量：计算材料的弹性模量，分析其硬度和韧性。
（2）屈服强度：计算材料的屈服强度，分析其抗变形能力。
3. 热力学性能计算（1）比热容：计算材料的比热容，分析其热稳定性。
（2）热膨胀系数：计算材料的热膨胀系数，分析其热膨胀性能。
六、结论1. 通过理论计算，得到了材料AxB1-xC的电子结构、力学性能和热力学性能等参数。
2. 分析计算结果，为实际材料设计提供了理论依据。
3. 本实验验证了理论计算在材料研究中的应用，为进一步研究新型材料提供了方法。
七、实验心得1. 理论计算在材料研究中具有重要作用，可以预测材料性能，为材料设计提供理论依据。
2. 在进行理论计算时，需要选择合适的计算方法和参数，以保证计算结果的准确性。
3. 实验过程中，要注重实验数据的收集和分析，以提高实验结果的可信度。
4. 理论计算与实验相结合，可以更好地研究材料性能，为材料研发提供有力支持。
计算材料学_Ising模型实验报告
Monte Carlo 实验报告一、项目名称：Ising 模型二、项目内容概要1、编译和运行进入实验的文件夹：cd □~/sourcecode/2D_Ising文件夹里有源代码mc2d.f 和输入文件in.2d阅读理解并编辑输入文件：gedit □in.2d之后编译mc2d.ff95 mc2d.f -o mc2d.exe运行可执行文件./mc2d.exe查看刚刚生成的四个输出文件，四个文件的内容如下：file1.out ：温度；时间；单位原子能量；单位原子磁化强度file2.out ：温度；单位原子能量；能量变化；单位原子磁化强度；磁化强度变化；单位原子热容file3.out:温度；自旋构型file4.out:温度；能量升高而被接受的数目；能量下降而被接受的数目；被拒绝的数目2、gnuplot 作图作温度与能量图：p “file2.out ”u 1:2 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第2 列数据；作温度与磁化强度图：p “file2.out ”u 1:4 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第4 列数据作温度与热容图：p “Ie2.out ” u 1:6 w p ps 3 pt 5作出file2.out中第1列与第6列数据三、项目实施方法/ 原理1925 年，伊辛提出描写铁磁体的简化模型：设有N 个自旋组成的d 维晶格（d=1,2,3），第i格点自旋为Si=± 1（i=1,2,…N; 土代表上下）。
只考虑最近邻作用, 相互作用能为± J（J>0 为铁磁性, J<0 为反铁磁性），平行为-J ，反平行为J。
伊辛模型的蒙特卡洛模拟基本步骤如下：建diWNh Ji -L ZU 斫老義羸烷栩对薩的自堡m 齡常帽■・穀筵计数从n-1开始.同时设定# j一fi & IHK・,\ :;/ 识p 卜 '// ft *77/ X 产‘I 闍机捡.tKhJ汁弦肾均值,别础果四、项目实施结果:1.各种情况下能量温度曲线q 能量量 0.0 -. 能铁磁正方形点阵温度和能量曲线n n 1Y严rr Hni^4 No温度/K铁磁三角形点阵能量与温度曲线-0.5 .-1.0 --1.5 _-2.0 _2 4 6 8反铁磁性正方形点阵外场为 0.5时能量温度曲线2.各种情况下磁化强度和温度的关系曲线铁磁正方形点阵磁化强度能量曲线 铁磁三角形点阵磁化强度温度曲线能量0.0 量能-0.5-1.0 ・-1.5-2.0 .反铁磁性正方形点阵能量温度曲线 反铁磁性正方形点阵外场为 1时能量温度曲线磁化强度-温度I8温度/K铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线（外场为 0.5）反铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线（外场为 0.5）反铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线 （外场为1）铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线（外场为0.5）0.000-0.001 .-0.002001<5度强化磁_磁化強度-温度0.0度强化磁磁化強度■-温度4 6 8 温度/K一 •一磁化强度-温度度强 -0.2・ 化 磁 -0.4 - -0.6 --0.8 _-1.0 - 反铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线4.各种情况下热容和温度的关系图8温度/K铁磁正方形点阵热容能量曲线铁磁三角形点阵热容能量曲线热容-温度0.0008 _0.0006 _容热0.00100.00040.00050.0002 _0.00000.0000温度/K0.00080.0006 _0.0004 _0.0002 _0.0000 _温度/K反铁磁正方形点阵热容能量曲线 反铁磁正方形点阵热容能量曲线（外场为 1）反铁磁正方形点阵热容能量曲线（外场为 0.5） 铁磁正方形点阵热容能量曲线（外场为 0.5）铁磁正方形点阵热容能量曲线（外场为 1）五、项目小结：1.在保持原参数不变的情况下，可以得出，温度越高，原子热运动越剧烈，因 此单个原子的能量也就越高。
材料计算实验报告
材料计算实验报告学生实验实习报告册学年学期：20XX-20XX学年o春o秋学期课程名称：课程设计（小型软件系统）学生学院：理学院专业班级：11921701 学生学号：20XX213260 学生姓名：联系电话：指导教师：总评成绩：**邮电大学教务处制课程设计（小型软件系统）要求通过本课程设计，了解当代计算材料学之材料设计和计算及模拟的理论基础、发展历程。
初步掌握LINUX系统的基本操作、脚本编写。
熟悉常用的材料计算软件的使用，并能够通过模拟计算，获得常见的简单晶体结构的几何和电子性质。
具体要求：1. 通过前期的课程学习和网络调研，了解第一性原理计算的理论基础；2. 通过课程学习和实践操作，初步掌握LINUX系统的基本操作；3. 学会根据实验测试数据（如XRD、TEM等），利用FINDIT软件获得已知材料体系的晶体结构；4. 学会利用VESTA、MATERIALSSTUDIO、UEDIT等软件对晶体结构进行查看、结构调节，最终准确获得初始计算模型；5. 学会利用VIENNAAB-INITIOSIMULATIONPACKAGE（简称VASP）软件，获得晶体结构稳定构型、电荷密度分布、电子态密度、能带结构、声子谱、结合能等；6. 学会利用P4VASP、ORIGIN等软件进行数据转换和作图；7. 能够利用所学的《量子力学》、《固体物理》、《半导体物理学》知识，分析晶体结构、电荷密度分布、电子态密度以及能带结构。
实验名称系统建模与仿真实验课程编号 A2110260 实验地点SL110 实验时间 6.15-6.19 一、课程设计目的：目的：通过本课程设计，了解当代计算材料学之材料设计和计算及模拟的理论基础、发展历程。
初步掌握LINUX系统的基本操作、脚本编写。
熟悉常用的材料计算软件的使用，并能够通过模拟计算，获得常见的简单晶体结构的几何和电子性质。
二、课程设计使用的仪器、软件：仪器：计算机。
软件：FINDIT、VESTA、MATERIALSSTUDIO、UEDIT、VIENNAAB-INITIOSIMULATIONPACKAGE、P4VASP、ORIGIN。
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实验四利用Material Studio分析研究晶体材料性能
姓名：高峰学号：1309050307 班级：材料物理1303 日期：2016.3.29
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
Materials Studio 是世界上著名的计算材料软件，其拥有十分强大的材料计算和设计功能。
该软件中的Materials Visualizer 子模块，可用于构建晶体模型。
根据晶体学与本课程所学知识，每种晶体都有其特有的晶体结构排布，每个原子占据一定的原子位置，每种晶体都具有相应的晶格常数、对称性等晶体学数据。
Materials Visualizer 子模块可给出晶体结构的直观模型，并可以分析出晶体的晶格参数、空间群、原子坐标的数据。
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。
CASTAP的任务：能量任务、几何优化任务、动力学任务、性质任务。
三、实验仪器
Materials Studio 软件、计算机。
四、实验步骤
1.构建晶体模型
（1）创建空的单胞：build --build crystal，选择合适的空间群和晶格常数。
（2）添加原子： build --add atoms输入原子种类及原子坐标。
若有原子在晶胞外，选择rebuild。
（3）构建原胞：build --symmetry –primitive cell。
2.晶体模型计算
（1）结构优化：modules --CASTEP –calculation--setup --task --geometry optimization，计算精度根据计算的时间要求及单胞中的原子个数，一般选为fine；函数选默认的GGA-PBE 方法。
（2）性质计算：在setup 的同级对话框中选择properties，CASTEP 可完成的性质计算及计算过程中的计算精度控制等都可以在本对话框中进行选择。
然后点击run，开始进行计算。
3.晶体模型分析
根据Modules--CASTEP --analysis 工具，可以分析出已计算的晶体性质。
五、实验结果分析
1.AlAs晶体结构
AlAs空间群是F-43m，它的晶格参数为5.6622埃，依照步骤对AlAs晶体计算。
计算后优化的3D视图的晶胞以及其电子密度等能面如下图所示：
半导体（AlAs晶胞）的能态密度和能带结构图如下：
从以上的图中可以看出，上方区域的线条表示的是导带，下方区域的线条表示价带，中间空白区域是禁带。
禁带宽度在半导体范围内，这表明AlAs晶体具有半导体的性质。
在态密度曲线图中，虚线表示的是费米能级。
能带图显示的是在布里渊区中K矢量沿着高对称性方向上的电子能量依赖度。
一个原子的一个原子轨道在一维周期条件下将产生一条能带，能带的带宽取决于这些原子轨道的在周期方向上的成键强度，强度越大，带宽越大，成键越弱，带宽越小。
介电函数与频率的关系曲线如下图所示：
能量变化、最大位移量、最大内力、最大应力的收敛变化规律如下图所示：
从上图的吸收度和频率关系可以看出，先迅速增长再逐步下降，主要形成一个峰值。
2.NaCl晶体结构
NaCl空间群是225-FM3M，它的晶格参数为5.642埃，依照步骤对NaCl晶体计算。
计算后优化的3D视图的晶胞以及其电子密度等能面如下图所示：
Nacl晶胞的能态密度和能带结构图如下：
图中上方区域的线条表示导带，下方区域的线条表示价带，中间空白区是禁带。
态密度曲线中，虚线为费米能级。
能看出NaCl的禁带宽度很大。
能带的分析与上AsAl相同可以参考以上的分析，此处不再赘述了。
介电函数与频率的关系曲线如下图所示：
能量变化、最大位移量、最大内力、最大应力的收敛变化规律如下图所示：
从上图的吸收度和频率关系可以看出，先迅速增长再逐步下降，主要形成两个峰值，再吸收度较低是形成两个相对较小的峰值。
六、实验总结
此次实验是第一次接触Material Studio(MS)软件，初步学习和掌握了MS软件的各个模块的功能，并利用MS对构造的晶体结构模型进行计算和分析。
当然，这一堂课只是一个初步的了解和学习，还要继续发现学习其余更为有用的功能。
相对于之前学习的Gaussian软件，MS的操作相对更为复杂，但是由于这个软件构建模型更为直观和细致，所以对此产生了很大的研究兴趣和乐趣。
总而言之此次课堂学习的是一个全新的更富有乐趣的一个计算软件。