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。并画出图形,标识出特征参数，给出能隙值。

VIA O S Se Te，IIB （M2+）Zn Co Ni Cd Pb IIB+VIA NiS ZnS

基本上将POTCAR中的元素内容唤成自己要计算的化合物旧可以了。

CdSe –POTCAR potential 势函数。（POTCAR Cd+ POTCAR Se 机械连接在一起的），如果我要计算NiS （POTCAR Ni +POTCAR S练贴到一起旧可以了）

POSCR （POSITION）

晶体结构素材：

根据美国海军研究室晶体学结构网站数据库，获得相关晶体结构信息如下：

1. 闪锌矿结构(The Zincblende (B3) Structure)

∙

∙Prototype: ZnS

∙Pearson Symbol: cF8

∙Strukturbericht Designation: B3

∙Space Group: F43m (Cartesian and lattice coordinate listings available)

∙Number: 216

∙Reference: Wyckoff Vol. I, pp 108-110

∙Other compounds with this Structure: AgI, AlAs, AlP, AlSb, BAs, BN, BP, BeS, BeSe, BeTe, CdS, CuBr, CuCl, CuF, CuI, GaAs, GaP, GaSb, HgS, HgSe, HgTe, INAs, InP, MnS, MnSe, SiC,

ZnSe, ZnTe

∙Primitive Vectors:

A1 = ½ a Y + ½ a Z

A2 = ½ a X + ½ a Z

A3 = ½ a X + ½ a Y

∙Basis Vectors:

B1 = 0 (Zn) (4a)

B2 = ¼ A1 + ¼ A2 + ¼ A3 = ¼ a X + ¼ a Y + ¼ a Z (S) (4c)

*******************

Primitive vectors

a(1) = 0.00000000 2.70465000 2.70465000

a(2) = 2.70465000 0.00000000 2.70465000

a(3) = 2.70465000 2.70465000 0.00000000

Volume = 39.56974149

Basis Vectors:

Atom Lattice Coordinates Cartesian Coordinates

Zn 0.00000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000

S 0.25000000 0.25000000 0.25000000 1.35232500 1.35232500 1.35232500 POSCAR ! Position

ZnS-B3 25#

1.0

0.00000000 2.70465000 2.70465000

2.70465000 0.00000000 2.70465000

2.70465000 2.70465000 0.00000000

1 1 ! Zn S

DIRECT

0 0 0

0.25000000 0.25000000 0.25000000

2. The Wurtzite (B4) Structure

∙Prototype: ZnS (Wurtzite)

∙Pearson Symbol: hP4

∙Strukturbericht Designation: B4

∙Space Group: P63mc (Cartesian and lattice coordinate listings available)

∙Number: 186

∙Other Compounds with this Structure: ZnO, SiC, AlN, CdSe, BN, C(Hexagonal Diamond) ∙Reference: Kisi and Elcombe, Acta Cryst. C45, 1867 (1989).

∙Primitive Vectors:

A1=½ a X - ½ 31/2 a Y