计算材料学-14-1

2.
M.I. Eremets, V.V. Struzhkin, H.K. Mao, R.J. Hemley, Science 293: 272-274 (2001).
27
材料模拟的重要性－解释相变机制
Two typical reason of pressure-induced metallization 1. Structural transition from low coordination insulator to a high coordination metallic phase (e.g., Si, Ge) Band overlap due to the increased interatomic interactions with pressure (e.g., I)
29
模拟的重要性－预言材料物性参数
1998 Nobel Prize in Chemistry to Walter Kohn and John Pople
14
计算模拟与设计在材料研究中的地位
美国若干个专业委员会（1989） 现代理论和计算机的进步，使得材料科学与 工程的性质正在发生变化。材料的计算机分析与 模型化的进展，将使材料科学从定性描述逐渐进 入定量描述阶段。
Intermetallics 16, 333 (2008).
24
材料模拟的重要性－预言新的结构相
Cubic phase of nitrogen
• C. Mailhiot, L. H. Yang, A. K. McMahan, Phys. Rev. B 46, 14419 (1992). (理论预言) • M. I. Eremets, et al, Nature Materials 3, 558 (2004). (高压实验合成)
2.
C.Mailhiot et al., Phys. Rev. B 42, 9033(1990).
Previous LDA calculations predicted a cross between α–B12 phase to bct around 210 GPa => Origin of experimentally observed metallization at 160 GPa ?
计算材料学
计算材料学第一章 导论
陈效双
中科院上海技术物理研究所、上海科技大学
科学计算的发展及其重要意义
“科学计算已经是继理论科学、实验科学之后，人类认识 与征服自然的第三种科学方法”。－－原南开大学校长候 自新
Moore定律（1965）： 计算机的CPU速度每1.5 年增加一倍。
2
计算机实验（模拟）的概念与步骤
8
计算材料学涉及的内容
当今许多关键技术上的材料，界面和表面需原子和 键水平认识。
纳米晶体
材料组装
9
计算材料学涉及的内容
未来超小型化器件的关键材料，单个原子（电子) 的增减，性质将变化，从单量子结构认识。
C48B12 S -(CH2)nC48N12 S
Gold lead
Gold lead
单分子二极管
1. 设计新型材料和器件 i. 高性能磁光记录材料：Tb/Bi/FeCo与Tb/Pb/FeCo超晶格
ii. 超硬材料：C3N4（硬度可以媲美金刚石？） iii. 新型锂电池阴极材料：LixCoO2 的替代品，Al替代Co？ 2. 预言晶体结构（e.g.，针对70种合金，>120晶体进行10000个 第一性原理能量计算，六个月） 3. 计算材料相图 4. 获得实验难以实现的极端条件下（如高温、高压）的材料结 构与物性
纳米二极管
10
计算材料学涉及的内容
依靠实验进行材料研究已经难以满足现代新材料研 究和发展的要求。 计算机模拟，根据基本理论，从纳观、微观、介观 和宏观的不同尺度对材料进行多层次研究，可模拟 超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能，模 拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理， 实现材料服役性能的改善和材料设计。 因此，在现代材料学领域中，计算机“实验”已成 为与实验室实验同样重要的研究手段，而且随着计 算材料学的不断发展，它的作用会越来越大。
《90年代的材料科学与工程》
15
计算模拟与设计在材料研究中的地位
美国国家科学研究委员会（1995） 材料设计（materials by design）一词正在 变为现实，它意味着在材料研制与应用过程中理 论的份量不断增长，研究者今天已经处在应用理 论和计算来设计材料的初期阶段。
《材料科学的计算与理论技术》
19
材料模拟的重要性－材料的基本性质
Charge Density in LiCoO2
4 3 2 1 0 -1 -2
Band structure of LiMnO2
-3.6 -3.7 -3.8 -3.9 -4 -4.1 -4.2 -4.3
20
3.5
3.7
3.9
4.1
4.3
4.5
Energy versus lattice parameter for fcc Al
5
计算材料学涉及的内容
主要包括两个方面的内容： 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； 材料的计算机设计，即直接理论模型和计算，预测或 设计材料结构与性能。 前者使材料研究不仅仅停留在实验结果和定性的讨论 上，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。 因此，计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。
6
计算材料模拟的重要意义
基于原子尺度建模和高性能计算的原子模拟（Atomistic Simulation），是沟通理论与实验、微观与宏观的桥梁。
7
计算材料学涉及的内容
材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研究的 四大要素。传统的材料研究以实验研究为主，是一 门实验科学。 但是，随着材料性能的要求提高，研究对象的尺度 不断变小，微米级显微结构不能揭示材料性能的本 质，纳米结构、原子像已成为材料的内容，对功能 材料需要到电子层次。因此，材料研究依赖于高端 的测试技术，难度和成本越来越高。 另外，服役性能越来越受到重视，服役性能是材料 与服役环境的相互作用及其对材料性能的影响。应 用环境的日益复杂化，材料服役性能的实验研究变 得越来越困难。
12
计算材料学涉及的内容
超级计算机和理论方法的发展
上海超级计算中心 魔方（top10) 材料设 计软件
LLNL IBM SP power3 Rmax 红外物理国 家实验室 7.22Tflops
There are several types of computers
13
计算材料学涉及的内容
第一性原理 的密度函数 理论预测材 料的结构等 许多性质。
28
材料模拟的重要性－解释相变机制
Experimental metallization: Gap closure (at 160 GPa) instead of structural TransforBiblioteka Baiduation from α-boron to bct (at 240 GPa)
Phys. Rev. B66, 092101(2002).
材料模拟的重要性－材料的电子结构
Li intercalation in carbon nanotube
21
材料模拟的重要性－材料的相图计算
22
材料模拟的重要性－材料的结构计算
Al6Ru: orthorhombic Al2Ru: orthorhombic Al3Ru2: tetragonal
Al13Ru4: monoclinic
• • • • • •
明确所要研究的物理现象 发展合适的理论和数学模型描述该现象 将数学模型转换成适于计算机编程的形式 发展和/或应用适当的数值算法 编写模拟程序 开展计算机实验，分析结果
3
计算材料学的概念
计算材料学是是近年里飞速发展的一门新兴交叉学科。它综合 了凝聚态物理、材料物理学、理论化学、材料力学和工程力学、 计算机算法等多个相关学科。 本学科的目的是利用现代高速计算机，模拟材料的各种物理化 学性质，深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与特 征，并对于材料的结构和物性进行理论预言，从而达到设计新 材料的目的。
18
材料模拟的重要性
Understanding How, why, where of phenomenon • How does H diffuse through A? • Why is A harder than B? • Where does A bind to B?
Prediction Parameter values, new phenomena • What is the diffusivity of H in A? • How hard is A? • Will A bind to B and how strongly?
Al5Ru2: orthorhombic
AlRu: cubic Crystal structures of Al-Ru bimetallic alloys
23
模拟的重要性－材料的结构和物性计算
AlRu: cubic
Lattice constant (Å) Experiment Theory 2.991～ 3.036 3.002 Bulk modulus (GPa) 207 202 Young modulus (GPa) 267, 260±10 232 Heat of formation (kJ/mol) -124.1±3.3 -126.8
4
计算材料学的概念
本学科目前尚无统一的称呼 ，计算材料学 （Computational materials science），计算材料模拟 （Computational materials simulation）、计算材料 设计（Computational materials design）、计算凝聚 态物理（Computational condensed matter physics）、 分子模拟（Molecular simulation）等往往同时使用。
Gerbrand Ceder, “COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE: Predicting Properties from Scratch”, Science, Vol 280, Issue 5366, 1099-1100 , 15 May 1998
17
Science列举的计算材料成功应用例子
11
计算材料学涉及的内容
计算材料学的发展与计算机科学与技术的迅猛发展 密切相关。 极难完成的一些材料计算，如材料的量子力学计算 等，现在使用微机就能够完成，超级计算机的出现 将带来材料学的大发展。 计算材料物理和计算理论学家的发展，模型与算法 的成熟，使得材料计算的应用更广泛。 因此，计算材料学基础知识的掌握已成为现代材料 研究者必备的技能之一 。
16
计算模拟与设计在材料研究中的地位
It has always been a dream of materials researchers to design a new material completely on paper, optimizing the composition and processing steps in order to achieve the properties required for a given application.
25
材料模拟的重要性－预言新的结构相
Phys. Rev. B60, 14177(1999). (理论预言)
Germanium Clathrate
A. M. Guloy, et al., Nature 443, 320 (2006). (实验合成)
26
材料模拟的重要性－解释相变机制
1. Boron (in β-phase) transforms from a nonmetal to a metal (superconductor) at about 160 GPa. The critical temperature of the transition increases from 6 K at 175 GPa to 11.2 K at 250 GPa.