理论计算

（二）、模块简介
Materials Studio采用了大家非常熟悉的Microsoft标准用户界面，允许 用户通过各种控制面板直接对计算参数和计算结果进行设置和分析。目 前，Materials Studio软件包括如下功能模块： 1、Materials Visualizer: 提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模型所需要的所有工具，可以 操作、观察及分析结构模型，处理图表、表格或文本等形式的数据，并 提供软件的基本环境和分析工具以及支持Materials Studio的其他产 品。是Materials Studio产品系列的核心模块。 2、Discover: Materials Studio的分子力学计算引擎。使用多种分子力学和动力学方 法，以仔细推导的力场作为基础，可准确地计算出最低能量构型、分子 体系的结构和动力学轨迹等。 3、COMPASS: 支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力场。是第一个由凝 聚态性质以及孤立分子的各种从头算和经验数据等参数化并经验证的从 头算力场。可以在很大的温度、压力范围内精确地预测孤立体系或凝聚 态体系中各种分子的结构、构象、振动以及热物理性质。
3、计算化学（computational chemistry）:是理论化学的一个分 支。计算化学的主要目标是利用有效的数学近似以及电脑程序计算分 子的性质（例如总能量，偶极矩，四极矩，振动频率，反应活性等） 并用以解释一些具体的化学问题。 计算化学这个名词有时也用来表示计算机科学与化学的交叉学科。
二、MS软件 （一）概况
（三）、应用领域
Mateirals Studio 是 Acce lrys 公司专为材料科学领域开发的 新一代材料计算软件。它能方便地建立 3D 分子模型，深入分 析有机晶体、无机晶体、无定形材料以及聚合物，可以在催 化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性 等材料科学研究领域进行性质预测、聚合物建模
6、DMol3: 独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，是唯一的可 以模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业 化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物 理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、分 子反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配 分函数、熔解热、混合热等性质。 7、CASTEP: 先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金 属等多种材料，可研究：晶体材料的性质（半导体、 陶瓷、金属、分子筛等）、表面和表面重构的性质、 表面化学、电子结构（能带及态密度）、晶体的光学 性质、点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩 展缺陷（晶粒间界、位错）、体系的三维电荷密度及 波函数等。
三、运用
采用 Materials Studio4.0 软件对ZnO的能带及电子能态密度进行 了模拟计算 1 模拟计算步骤 1.1 建立晶体 需要计算ZnO晶体参数通过相关文献查阅得到，如表1所示。 表1 相关晶胞参数表
晶体 ZnO 晶体种类 a b c 3D Hexagonal 3.24927 3.24927 5.20544
2.1.1 能带结构 由图1可以看出：能带结构图和电子能态密度图是相对应的。能带结构图 中曲线越密集，则电子能态密度图中相应能量位置峰值越大，表明电子 越多。反之，曲线越稀疏，则峰值越小，电子越少。本图中，电子在4.75~ -3.95 eV及-6.00 ~-4.95 eV范围密度最大。
图1 ZnO能带结构及电子能态密度
Materials Studio是专门为材料科学领域研究者开发的一款 可运行在PC上的模拟软件。它可以帮助你解决当今化学、 材料工业中的一系列重要问题。支持Windows 98、 2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台的Materials Studio使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维 结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质 及相关过程进行深入的研究。 多种先进算法的综合应用使Materials Studio成为一个强有 力的模拟工具。无论构型优化、性质预测以及复杂的动力 学模拟和量子力学计算，我们都可以通过一些简单易学的 操作来得到切实可靠的数据
高等无机
理论计算
化学11-1 马雪佳
1
几个重要概念
2
MS（Materials Studio）软件介绍
3
MS软件的运用
一、几个重要概念
1、理论计算:应用现有的定律、定理及规律对问题进行分析推理，找 出符合其尊循的规律公式（推导出来的公式）进行计算，其整个过程 叫理论计算 2、理论化学：是运用纯理论计算而非实验方法研究化学反应的本质 问题，主要以理论物理为研究工具（如热力学、量子力学、统计力 学、量子电动力学、非平衡态热力学等），并且大多辅以计算机模 拟。
Materials Studio生成的结构、图表及视频片断 等数据可以及时地与其它PC软件共享，方便与 其他同事交流，并能使你的讲演和报告更加引 人入胜。 Materials Studio软件能使任何研究者达到与世 界一流研究部门相一致的材料模拟的能力。模 拟的内容包括了催化剂、聚合物、固体及表 面、晶体与衍射、化学反应等材料和化学研究 领域的主要课题。
能带结构图和态密度图可以解决哪些问题
禁带宽度 5.976eV
Sio2能带结构图
Sio2的电子态密度图
偏态密度图
般常见晶体材料的结构，可以从ＭＳ自带的晶体结构 库中调出来，如半导体硅的晶体结构，还可以通过Ｃ ＡＳＴＥＰ模块计算该晶体的能带结构等性质
硅的晶体结构和能带结构图
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聚合物如聚丙烯，这里聚丙烯是采用１０个单体聚合连接 构成，聚合物两端以氢原子结束。该体系可以通过DMol3 模块进行计算
聚丙烯的结构图
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应用Visualizer模块构造体系结模块对苯分子 的电荷、分子轨道和能量等方面进行计算。
苯分子的电荷、轨道和结构图
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1.2 设置计算任务 由于建立的晶体需要进行结构优化，对于优化的方式选有 GGA/PBE；GGA/RPBE；GGA/PW91；LDA/CA-PZ以上四种， 优化完成后，进行能量以及电子密度的模拟计算，最后得到电子 能态密度和能带结构等数据和相关图表。这些数据可以表明晶体 电子结构的一个快速定性图象，这些结论可以直接和实验光谱结 果相关联。 2结果与讨论
4、Amorphous Cell: 允许对复杂的无定型系统建立有代表性的模型，并对主要性 质进行预测。通过观察系统结构和性质之间的关系，可以对 分子的一些重要性质有更深入的了解，从而设计出更好的新 化合物和新配方。可以研究的性质有：内聚能密度 （CED）、状态方程行为、链堆砌以及局部链运动等。 5、Equilibria: 可计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的相图，溶解 度作为温度、压力和浓度的函数也可同时得到，还可计算单 组分体系的virial系数。适用领域包括石油及天然气加工过程 （如凝析气在高压下的性质）、石油炼制（重烃相在高压下 的性质）、气体处理、聚烯烃反应器（产物控制）、橡胶 （作为温度和浓度的函数的不同溶剂的溶解度）。
模拟的方法
1、量子力学的密度泛函理论； 2、半经验的量化计算方法； 3、分子力学； 4、分子动力学； 5、介观模拟方法等.
（四）、Ms 软 件 的 优 点
更容易地创建研究分子模型或 材料结构 操作灵活方便，并且能够最大 限度地运用网络资源。
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优点
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计算能带大小及分析能带组成
3Hale Waihona Puke 可以与其它标准PC软件共享 这些数据