西南科技大学计算在材料中应用作业

计算机在材料科学与工程中

的应用

课

程

作

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实验1：材料性能的第一性原理计算

1. 实验目的

(1) 掌握第一性原理和密度泛涵的计算方法； (2) 学会使用Visualizer 的各种建模和可视化工具； (3) 熟悉CASTEP 模块的功能。

2. 实验原理

CASTEP 是基于密度泛涵理论平面波赝势基础上的量子力学计算。

密度泛涵理论的基本思想是原子、分子和固体的基本物理性质可以用粒子密度函数进行描述。可以归纳为两个基本定理：

定理1：粒子数密度函数是一个决定系统基态物理性质的基本参量。

定理2：在粒子数不变的条件下能量对密度函数变分得到系统基态的能量。不计自旋的全同费米子的哈密顿量为：H T U V =++

其中动能项为：()()T dr r r ψψ+=∇∇⎰

库仑作用项为：11'()(')()(')2

'

U drdr r r r r r r ψψψψ++=-⎰

V 为对所有粒子均相同的局域势u(r)表示的外场影响：()()()V dru r r r ψψ+=⎰粒子数密度函数为：

()()()r r r ρψψ+=ΦΦ

对于给定的()r υ，能量泛函[]E ρ定义为：[]()()E dr r r T U ρυρ=++Φ⎰；[]F T U ρ=Φ+Φ系统基态的

能量：'

''''[]''''[][]()()[][]()()[]

E T U V G

E F dr r r E G G F dr r r E G ρρυρφρυρρΦ=Φ+Φ+ΦΦ==+>⎰=+=⎰

3. 实验内容

材料的电子结构计算；

4. 实验设备和仪器

(1) 硬件：多台PC 机和一台高性能计算服务器。 (2) 软件：主要利用Materials studio 软件包里的Materials Visualizer 和CASTEP 模块。

5. 实验步骤

5.1建立所研究材料的结构模型

（1）按照所研究材料的晶胞参数建立晶体结构。

建立的晶体结构是氯化钠（NaCl），空间群（225-Fm3m,a=0.5628nm）,立方面心格子。

1、在project窗口内，untitled右键new/3D atomistic Document，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。

2、然后在菜单栏build/crystals/build crystal

3、出现的build crysta l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Fm3m(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=0.5628nm；完成后选择build将回到原3D窗口将看到一个晶格框架.

4、通过build/add atom出现添加原子窗口，首先添加Na原子，坐标a、b、c为（0,0,0）,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 stick，完成后NaCl晶体模型为下图所示。

（2）按照计算需要对晶胞内的原子进行替换，并用Build | Symmetry | Primitive Cell将模型设置为原胞形式。设置后得到下图。

二、设置并运行量子力学计算

在工具栏中选择CASTEP模块。其对话框如下图

步骤1：几何优化

①选择Setup项，将Task项设置为Geometry Optimization，标准设为Coarse,点击此

对话框中的More按钮，在Optimize Cel l项前打钩，关闭对话框。

②选择Job Control按钮，点击此对话框中的 More按钮，设置Gateway，选择在本机计

算还是在服务器上计算。

③选择Properties按钮

实验1. 在Density of states和选项前打钩。

按下Run按钮，开始运行计算。关闭对话框。在project窗口内有下面文件。

计算完后会弹出上面窗口，显示计算结束

步骤2：判断计算结果是否正确

①在 Project Explorer工作栏内,双击.castep文件，将其激活。

②在菜单栏中选择Edit | Find 键入completed successfully 查找到此文字，找到后向上几行，

有一个两行的表格，如果两行显示都为“yes”，说明计算正常结束。否则要继续进

Electron density项，按下Import按钮，电子的等值面就显示在结构中。

打开CASTEP的Analysis对话框，选择density of states项，按下View按钮；

实验2：基于分子力场的分子力学和分子动力学计算1.实验目的:

（1） 掌握分子力学和分子动力学的模拟方法； （2） 学会使用Visualizer 的各种建模和可视化工具； （3） 熟悉Forcite 模块的功能。 2. 实验原理：

基于“Born-Oppenheimer”近似，可以将原子运动的Schrödinger 方程，分别表示为电子和核运动的Schrödinger 方程。直接求解核的运动方程，并将其中的能量以经验的力场函数表示，即为分子力学方法。如果将能量以力场形式表示，直接求解牛顿方程，就是分子动力学方法。

..X m F x

E

==∂∂…………………………………..牛顿方程 3. 实验内容

材料表面上分子的绑定能计算；

4. 实验设备和仪器

(1) 硬件：多台PC 机和一台高性能计算服务器。

(2) 软件：主要利用Materials studio 软件包里的Visualizer 和Forcite 模块。

5．实验方法和步骤

5.1建立材料表面和分子的结构模型

①按照所研究表面材料的晶胞参数建立晶体结构。方法是可以自己建立模型，也可以在软件自带的结构库中直接读入结构文件。如：在菜单栏选择File | Import ，进入structures/ metal-oxides 文件夹，选择Cu2O_quartz.msi 文件。

②按照所需要的晶面对晶体进行切割。方法是在菜单栏中打开Build | Surfaces | Cleave Surface 对话框，调整晶面指数和表面厚度。默认的表面为（-1 0 0），厚度为1.0，按下 Cleave 按钮。

H ψ (R,r) = E ψ (R,r) ……………………...….. Schrödinger 方程 He Φ(r;R) = E Φ(r;R) ………………电子运动的Schrödinger 方程 Hn Φ(R) = E Φ(R) ……………………核运动的Schrödinger 方程