计算材料学实验指导书.doc
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第 1 页 共 7 页计算材料学实 验 指 导 书第 2 页 共 7 页实验一、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： HTUV其中动能项为： ()drr库仑作用项为： 1'(')'2rV 为对所有粒子均相同的局域势 u(r)表示的外场影响： 粒子数密度函数为：()()Vdrur()()rr对于给定的 ，能量泛函 定义为： ； 系统基态的[]E[]()EdrTU []FTU能量：'''''[]''''()[][]ETUVGFdrGE3. 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。
* 在三个实验内容中可以任选一个内容进行计算，有能力的同学也可以全做第 3 页 共 7 页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：在菜单栏中选择 File | Import，进入 structures/ nanotubes 文件夹，选择 6-6.msi 文件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5.2 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 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③选择 Properties 按钮实验 1. 在 Density of states 和选项前打钩 第 4 页 共 7 页实验 2.在 Band structure 选项前打钩实验 3.不选择任何项按下 Run 按钮，开始运行计算关闭对话框步骤 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行运算步骤 3：计算弹性常数实验 3.在 CASTEP 对话框中选择 Setup 项，在 Task 的下拉单中选择 Elastic Constants，点击对话框中的 More 按钮，设置每次拉伸的步数， 按下 Run 按钮 5.3 计算结果分析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。
实验 1. 打开 CASTEP 的 Analysis 对话框，选择 density of states 项，按下 View 按钮；实验 2. 打开 CASTEP 的 Analysis 对话框，选择 Band structure 项，按下 View 按钮；实验 3. 打开 CASTEP 的 Analysis 对话框，选择 Elastic Constants 项，将 CASTEP Cij 文件夹中的.xsd 文件激活，按下 Calculate 按钮6 对实验报告的要求(1) 阐述本实验的目的、意义及计算所涉及的基本原理；(2) 说明本实验用硬件和软件（包括所使用的模块） ；(3) 给出所计算材料的晶格参数和能量，并计算其和实验值的误差；(4) 分析、讨论实验结果实验 1. 画出所计算材料电子的密度图和态密度图； 实验 2. 给出所计算材料的晶格参数，并画出所计算材料的能带图；实验 3. 分析所计算材料的弹性模量 Cij 和 Sij (1/GPa)、宏观弹性模量、体弹性模量、杨氏模量及泊松比；第 5 页 共 7 页实验二、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…………………………………..牛顿方程.XmFxE3. 实验内容实验 1. 材料表面上分子的绑定能计算；实验 2. 固定和不固定表面原子条件下的被吸附分子的结构优化结果比较；实验 3. 材料表面上分子的动力学计算 在三个实验内容中可以任选一个内容进行计算，有能力的同学也可以全做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 SiO2_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 Hψ (R,r) = Eψ (R,r) ……………………...….. Schrödinger方程 HeΦ(r;R) = EΦ(r;R) ………………电子运动的Schrödinger方程Hn Φ(R) = EΦ(R) ……………………核运动的Schrödinger 方程第 6 页 共 7 页③将表面扩大为超晶胞结构方法是在菜单栏中选择 Build | Symmetry | SuperCell，调整 U 和 V 的值，按下 Create Supercell 按钮④建立二维的表面环境方法是利用 Build Vacuum Slab 工具建立三维的周期边界条件或利用 Properties Explorer 将其模型转化为 2D 网格⑤将分子放到材料表面上方法是在任务栏中点右键，新建一分子文件，并按分子的特点重新命名然后在主菜单栏中选择 Edit | Copy；在任务栏中双击表面分子文件，在主菜单栏选择Edit | Paste。
5.2 运行分子力学和分子动力学运算在工具栏中选择 Forcite 模块，其对话框如下图在 Energy 对话框中选择相应的力场，如Dreading, Compass 和 Universal 等步骤 1：利用分子力学进行分子几何优化在 Setup 对话框中，将 Task 项设置为 Geometry Optimization，标准设为 Fine在 Task 后的 More 按钮中，可以设置 Max iterations 步和能量最小化的算法默认算法为 Smart按下 Run 按钮，开始运行计算步骤 2：针对不同要求的进行各种模拟计算实验 1. 将 Forcite 模块的 Task 项设置为 Energy, 标准设为 Fine，按下 Run 按钮，计算总能量（E 总 ）再分别计算表面原子和分子的能量（E 表面 和 E 分子 ） 实验 2.在表面分子的初始模型中，选中所有的表面材料原子，在菜单栏中选择 Modify | Constraints，固定原子位置，进行步骤 1 的几何优化实验 3.将 Forcite 模块的 Task 项设置为 Dynamics, 标准设为 Fine在 Task 后的 More 按钮中，设置系综、时间步、温度和模拟时间等。
5 对实验报告的要求第 7 页 共 7 页(1) 阐述本实验的目的、意义及计算所涉及的基本原理；(2) 说明本实验用硬件和软件（包括所使用的模块） ；(3) 分析、讨论实验结果实验 1. 计算出分子在材料表面上的绑定能计算公式：E 绑定能= E 总 -（E 表面 +E 分子 ） 实验 2.比较在固定和不固定两种情况下体系的能量以及分子的结构有无异同实验 3.用 Forcite 模块中的 analysis 模块分析 Potential energy components 和 Radial distribution function。
