计算机在材料科学与工程中的应用课程作业

计算机在材料科学与工程

中的应用

课程作业

姓名：刘武佰

班级：材料1002

学号：20100043

实验一、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+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

实验 1. 材料的电子结构计算；

实验2. 晶体材料的晶格[点阵]参数预报（要求材料体系为金属合金、化合物半导体或

有机高分子材料）；

实验 3. 材料的弹性模量计算。

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

一、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铯（CsCl），空间群（221-Pm3m,a=0.4110nm）,立方体心格子。

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 crystal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CsCl晶体为例空间群为Pm3m(221)，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=0.4110nm；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Cs原子，坐标a、b、c为（0,0,0）,再添加Cl原子a、b、c坐标为（0.5，0.5，0.5）这样， CsCl晶体就建立起来

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CsCl晶体模型为下图所示。

二、设置并运行量子力学计算

在工栏中选择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。

2、计算结果分析

(1)在计算结果文件夹中激活.xsd文件。在工具栏中选择CASTEP工具，然后选择Analysis，选择Electron density项，按下Import按钮，电子的等值面就显示在结构中。

(2)打开CASTEP的Analysis对话框，选择density of states项，按下View按钮

最后计算出的态密度图如下所示

实验2. 选择化合物萤石（CaF2；

225-Fm3m,a=0.545nm）：

操作步骤与与前一个实验的计算结果之前操作一样，只是在添加原子时操作如下：

1、通过build/add atom出现添加原子窗口，首先添加Ca原子，坐标a、b、c为（0,0,0）,再添加F原子a、b、c坐标为（0.25，0.25，0.25）这样，CaF2晶体就建立起来了。

得到的晶体结构如图所示：

（1）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

步骤1：几何优化

①选择Setup项，将Task项设置为 Geometry Optimization，标准设为 Fine,点

击此对话框中的 More按钮，在Optimize Cell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。