材料計算實驗報告

材料計算實驗報告學生實驗實習報告冊學年學期：20XX-2021學年o春o秋學期課程名稱：課程設計（小型軟系統(tǒng)）學生學院：理學院專業(yè)班級：11921701學生學號：20XX213260學生姓名：聯(lián)系電話：指導教師：總評成績：**郵電大學教務處制課程設計（小型軟系統(tǒng)）要求通過本課程設計，了解當代計算材料學之材料設計和計算及模擬的理論基礎、發(fā)展歷程。初步掌握LINUX系統(tǒng)的基本操作、腳本編寫。熟悉常用的材料計算軟的使用，并能夠通過模擬計算，獲得常見的簡單晶體結構的幾何和電子性質。具體要求：通過前期的課程學習和網(wǎng)絡調研，了解第一性原理計算的理論基礎；通過課程學習和實踐操作，初步掌握LINUX系統(tǒng)的基本操作；學會根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)（如XRD、TEM等），利用FINDIT軟獲得已知材料體系的晶體結構；學會利用VESTA、MATERIALSSTUDIO、UEDIT等軟對晶體結構進行查看、結構調節(jié)，最終準確獲得初始計算模型；學會利用VIENNAAB-INITIOSIMULATIONPACKAGE（簡稱VASP）軟，獲得晶體結構穩(wěn)定構型、電荷密度分布、電子態(tài)密度、能帶結構、聲子譜、結合能等；學會利用P4VASP、ORIGIN等軟進行數(shù)據(jù)轉換和作圖；能夠利用所學的《量子力學》、《固體物理》、《半導體物理學》知識，分析晶體結構、電荷密度分布、電子態(tài)密度以及能帶結構。實驗名稱系統(tǒng)建模與仿真實驗課程編號A2110260實驗地點SL110實驗時間6.15-6.19一、 課程設計目的：目的：通過本課程設計，了解當代計算材料學之材料設計和計算及模擬的理論基礎、發(fā)展歷程。初步掌握LINUX系統(tǒng)的基本操作、腳本編寫。熟悉常用的材料計算軟的使用，并能夠通過模擬計算，獲得常見的簡單晶體結構的幾何和電子性質。二、 課程設計使用的儀器、軟：儀器：計算機。軟：FINDIT、VESTA、MATERIALSSTUDIO、UEDIT、VIENNAAB-INITIOSIMULATIONPACKAGE、P4VASP、ORIGIN。三、 課程設計要求：通過前期的課程學習和網(wǎng)絡調研，了解第一性原理計算的理論基礎；通過課程學習和實踐操作，初步掌握LINUX系統(tǒng)的基本操作；學會根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)（如XRD、TEM等），利用FINDIT軟獲得已知材料體系的晶體結構；學會利用VESTA、MATERIALSSTUDIO、UEDIT等軟對晶體結構進行查看、結構調節(jié)，最終準確獲得初始計算模型；學會利用VIENNAAB-INITIOSIMULATIONPACKAGE（簡稱VASP）軟，獲得晶體結構穩(wěn)定構型、電荷密度分布、電子態(tài)密度、能帶結構、聲子譜、結合能等；學會利用P4VASP、ORIGIN等軟進行數(shù)據(jù)轉換和作圖；能夠利用所學的《量子力學》、《固體物理》、《半導體物理學》知識，分析晶體結構、電荷密度分布、電子態(tài)密度以及能帶結構。四、 課程設計原理：研究體系的復雜性表現(xiàn)在多個方面，從低自由度體系轉變到多維自由度體系，從標量體系擴展到矢量、張量系統(tǒng)，從線性系統(tǒng)到非線性系統(tǒng)的研究都使解析方法失去了原有的威力。因此，借助于計算機進行計算與模擬恰恰成為唯一可能的途徑。復雜性是科學發(fā)展的必然結果，計算材料科學的產生和發(fā)展也是必然趨勢，它對一些重要科學問題的圓滿解決，充分說明了計算材料科學的重要作用和現(xiàn)實意義。采用了基于密度泛函理論的第一性原理計算方法。使用目前常用的商業(yè)軟包，VIENNAABINITIOSIMULATIONPACKAGE(VASP)，進行模擬。離子實與價電子層的相互作用采用投影綴加平面波贗勢(PROJECTORAUGMEN=TEDWAVE，PAW)來描述。交換相關能采用廣義梯度近似(GGA)中的PBE泛函描述。為了更好地描述層間作用，在計算時，用OPTPBE-VDW方法進行范德華爾斯修正。平面波基組截斷能設置為400eV。結構優(yōu)化和靜態(tài)計算時的布里淵區(qū)K點采樣網(wǎng)格分別為3X3X3和4X4X4。原子完全弛豫，直至各原子之間的力小于0.01eV-1，結構弛豫結束。五、課程設計思路、步驟：1、 打開FINDIT軟，查找MoS2，選擇晶胞參數(shù)為3.16，如下圖圖1查找MoS2數(shù)據(jù)導出MoS2數(shù)據(jù)，注意保存格式為.cif。2、 將保存好的文(icsd.cif)直接拖入MATERIALSSTUDIO軟，即可以看到MoS2的單個晶胞結構，點擊鼠標右鍵選擇Displaystyle中的CPK選項，調整原子為合適大小，點擊viewacross查看模型的正面圖(圖2)，之后點擊viewont。查看模型的俯視圖(圖3),最后，保存文到指定文夾，文命名為MoS2-BULK.Cif。圖2.MoS2正視圖3.MoS2俯視圖3、將保存好的文(MoS2-BULK.cif)直接拖入VESTA軟，轉動一下即可以看到MoS2的單個晶胞結構，再點擊左下角的Properties-icsd.cif進入?yún)?shù)設置，第1選擇General里的Singleunitcell即可以看見一個更規(guī)整的晶胞結構；第2點擊Atoms，在里面可以選擇Mo、S兩個原子的顏色；第3點擊edit中的Bonds，點擊new后把A2改為S，將Maxlength改為3。調整完后可得到下圖(圖4)，最后保存文，命名為icsd.vasp。圖44、將icsd.vasp文用Uedit32打開，可以得到MoS2晶胞的坐標數(shù)據(jù)。5、計算部分:采用了基于密度泛函理論的第一性原理計算方法。使用目前常用的商業(yè)軟包VIENNAABINITIOSIMULATIONPACKAGE(VASP),進行模擬。離子實與價電子層的相互作用采用投影綴加平面波贗勢(PROJECTORAUGMEN=TEDWAVE,PAW)來描述。交換相關能采用廣義梯度近似(GA)中的PBE泛函描述。為了更好地描述層間作用，在計算時，用TPBE-DW方法進行范德華爾斯修正。平面波基組截斷能設置為400eV。結構優(yōu)化和靜態(tài)計算時的布果淵區(qū)K點采樣網(wǎng)格分別為3X3X3和4X4X4。原子完全弛豫，直至各原子之間的力小于0.01eVA，結構弛豫結束。打開Xshell軟，建立會話并進入自己的分組，拷貝4個文INCAR、KPOINTS、POSCAR、vdw_kernel.bindat。在POSCAR中拷入剛得到的MoS2晶胞的坐標數(shù)據(jù)，修改INCAR中的數(shù)據(jù)，通過一系列操作，最后輸入運行代碼nohupmpirun-np8vasp_std>&；l.out&；進行結構優(yōu)化計算。通過結構優(yōu)化后可以得到CONTCAR并導出。接下來進行靜態(tài)計算。創(chuàng)建新的文夾static,進入該文夾后導入結構優(yōu)化后的CONTCAR、POSCAR，注意還要考入沒有結構優(yōu)化之前的INCAR、KPOINTS并修改KPOINTS為4X4X4。同樣輸入運行代碼nohupmpirun-np8vasp_std>&；l.out&;進行靜態(tài)計算。得到CHGCAR、vasprun.xml并導出。6、將CHGCAR拖入VESTA中進行參數(shù)更改。第1選擇General里的Singleunitcell即可以看見一個更規(guī)整的晶胞結構；第2點擊Atoms，在里面可以選擇Mo、S兩個原子的顏色；第3選擇Isosurfaces里的New，將Isosurfacelevel改為0.05即可得到下圖5圖5MoS2晶胞7、通過一個腳本文vaspkit的計算，可以得到TDOS.dat并導出，再由腳本文的另外一個計算可導出PDOS_Mo.dat、PDOS_S.dat,接著新建一個excel文檔導入TDOS.dat、PDOS_Mo.dat、PDOS_S.dat中的數(shù)據(jù)并進行處理，將處理的數(shù)據(jù)導入Origin中再處理，即可得到下圖6圖68、再創(chuàng)建文夾bands，將CHGCAR、POSCAR、POTCAR、vdw_kernel.bindat拷貝進該文夾，再將前面的INCAR、KPOINTS拷入。在Matstudi軟中點擊Tools—>Brillouinzonepath可得到下圖7圖7最后在bands中用腳本文計算，可以得到REFORMATTED_BAND.Dat并導出。相同的方法在Excel中處理數(shù)據(jù)再導入Origin中再處理