計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)課程名稱：計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

用MaterialsStudio計(jì)算簡(jiǎn)單材料的能

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn)成績(jī)

帶

實(shí)驗(yàn)者張翅騰飛專業(yè)班級(jí)xs1101組別

同組者實(shí)驗(yàn)日期2014年5月7日

第一部分：實(shí)驗(yàn)分析與設(shè)計(jì)(可加頁)

一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容描述(問題域描述)

用MaterialsStudio計(jì)算簡(jiǎn)單材料的能帶(如C納米管、PbTQ等典型的鈣鈦礦結(jié)

構(gòu))

二、實(shí)驗(yàn)基本原理與設(shè)計(jì)(包括實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)手段的確定，試驗(yàn)步驟等，用硬件邏

輯或者算法描述)

一、能帶結(jié)構(gòu)

能帶結(jié)構(gòu)是目前采用第一性原理(從頭算abiniti。)計(jì)算所得到的常用信息，可用

來結(jié)合解釋金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別。能帶可分為價(jià)帶、禁帶和導(dǎo)帶三部分，導(dǎo)帶

和價(jià)帶之間的空隙稱為能隙

二、MM、MD基礎(chǔ)理論

1、第一性原理

第一原理方法在理論上已經(jīng)能解決所有問題但計(jì)算量太大，計(jì)算機(jī)資源有限，原

子數(shù)目較多時(shí)，如高分子、蛋白質(zhì)、原子簇以及研究表面問題、功能材料或材料的力

學(xué)性能等，實(shí)際上難以完成計(jì)算為此，發(fā)展了分子力學(xué)(MolecularMechanics,MM)與

分子動(dòng)力學(xué)(MolecularDynamics,MD)方法它們的應(yīng)用，又稱分子模擬

(moIecuIarsimuIation,molecularmodeIing)或分子設(shè)計(jì)(moIecuIardesign)MM與

MD是經(jīng)典力學(xué)方法，針對(duì)的最小結(jié)構(gòu)單元不再是電子而是原子因原子的質(zhì)量比電子大很

多，量子效應(yīng)不明顯，可近似用經(jīng)典力學(xué)力法處理20世紀(jì)30年代，Andrews最早提出

分子力學(xué)(MM)的基本思想；40年代以后得到發(fā)展，并用于有機(jī)小分子研究。90年代以

來得到迅猛發(fā)展和廣展。

三、materialstudio

INMaterialsStudio軟件

Materialstudio專門為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者開發(fā)的一款可運(yùn)行在PC上的模擬軟

件。MaterialsStudio軟件采用靈活的Client-Server結(jié)構(gòu)。其核心模塊Visualizer

運(yùn)行于客戶端PC,支持的操作系統(tǒng)包括Windows98、2000、NT；計(jì)算模塊(如Discover,

Amorphous,Equilibria,DMol3,CASTEP等)運(yùn)行于服務(wù)器端，支持的系統(tǒng)包括

Windows2000>NT、SGIIRIX以及RedHatLinuxo浮動(dòng)許可(FloatingLicense)

機(jī)制允許用戶將計(jì)算作業(yè)提交到網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺(tái)服務(wù)器上，并將結(jié)果返回到客戶

端進(jìn)行分析，從而最大限度地利用了網(wǎng)絡(luò)資源。

2、模塊簡(jiǎn)介

MaterialsStudio采用了大家非常熟悉的Microsoft標(biāo)準(zhǔn)用戶界面，允許用戶通

過各種控制面板直接對(duì)計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)置和分析。目前，MaterialsStudio

軟件包括如下功能模塊：

MaterialsVisualizer:

提供了搭建分子、晶體及高分子材料結(jié)構(gòu)模型所需要的所有工具，可以操作、觀

察及分析結(jié)構(gòu)模型，處理圖表、表格或文本等形式的數(shù)據(jù)，并提供軟件的基本環(huán)境和

分析工具以及支持MaterialsStudio的其他產(chǎn)品。是MaterialsStud工產(chǎn)品系列的

核心模塊。

Discover:

MaterialsStudio的分子力學(xué)計(jì)算引擎。使用多種分子力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方法，以仔

細(xì)推導(dǎo)的力場(chǎng)作為基礎(chǔ)，可準(zhǔn)確地計(jì)算出最低能量構(gòu)型、分子體系的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)軌

跡等。

COMPASS:

支持對(duì)凝聚態(tài)材料進(jìn)行原子水平模擬的功能弗大的力場(chǎng).是第一個(gè)由凝聚態(tài)性質(zhì)

以及孤立分子的各種從頭算和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等參數(shù)化并經(jīng)驗(yàn)證的從頭算力場(chǎng)?？梢栽诤艽?/p>

的溫度、壓力范圍內(nèi)精確地預(yù)測(cè)孤立體系或凝聚態(tài)體系中各種分子的結(jié)構(gòu)、構(gòu)象、振

動(dòng)以及熱物理性質(zhì)。

AmorphousCell:

允許對(duì)復(fù)雜的無定型系統(tǒng)建立有代表性的模型，并對(duì)主要性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過觀

察系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系，可以對(duì)分子的一些重要性質(zhì)有更深入的了解，從而設(shè)

計(jì)出更好的新化合物和新配方?？梢匝芯康男再|(zhì)有：內(nèi)聚能密度（CED）、狀態(tài)方程行

為、鏈堆砌以及局部鏈運(yùn)動(dòng)等。

Reflex:

模擬晶體材料的X光、中子以及電子等多種粉末衍射圖譜。可以幫助確定晶體的

結(jié)構(gòu)，解析衍射數(shù)據(jù)并用于驗(yàn)證計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,模擬的圖譜可以直接與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比

較，并能根據(jù)結(jié)構(gòu)的改變進(jìn)行即時(shí)的更新。包括粉末衍射指標(biāo)化及結(jié)構(gòu)精修等工具。

ReflexPlus:

是對(duì)Reflex的完善和補(bǔ)充，在Reflex標(biāo)準(zhǔn)功能基礎(chǔ)上加入了已被廣泛驗(yàn)證的

PowderSolve技術(shù),ReflexPlus提供了一套可以從高質(zhì)量的粉末衍射數(shù)據(jù)確定晶體

結(jié)構(gòu)的完整工具。

Equilibria:

可計(jì)算煌類化合物單組分體系或多組分混合物的相圖，溶解度作為溫度、壓力和

濃度的函數(shù)也可同時(shí)得到，還可計(jì)算單組分體系的virial系數(shù)。適用領(lǐng)域包括石油

及天然氣加工過程（如凝析氣在高壓下的性質(zhì)）、石油煉制（重燃相在高壓下的性質(zhì)）、

氣體處理、聚烯燃反應(yīng)器（產(chǎn)物控制）、橡膠（作為溫度和濃度的函數(shù)的不同溶劑的

溶解度）。

DMol3:

獨(dú)特的密度泛虞（DFT）量子力學(xué)程序，是唯一的可以模擬氣相、溶液、表面及固

體等過程及性質(zhì)的商業(yè)化量子力學(xué)程序，應(yīng)用于化學(xué)、材料、化工、固體物理等許多

領(lǐng)域。可用于研究均相催化、多相催化、分子反應(yīng)、分子結(jié)構(gòu)等，也可預(yù)測(cè)溶解度、

蒸氣壓、配分函數(shù)、熔解熱、混合熱等性質(zhì)。

CASTEP:

先進(jìn)的量子力學(xué)程序，廣泛應(yīng)用于陶瓷、半導(dǎo)體、金屬等多種材料，可研究：晶

體材料的性質(zhì)（半導(dǎo)體、陶瓷、金屬、分子篩等）、表面和表面重構(gòu)的性質(zhì)、表面化

學(xué)、電子結(jié)構(gòu)（能帶及態(tài)密度）、晶體的光學(xué)性質(zhì)、點(diǎn)缺陷性質(zhì)（如空位、間隙或取

代摻雜）、擴(kuò)展缺陷（晶粒間界、位錯(cuò)）、體系的三維電荷密度及波函數(shù)等。

部分：實(shí)驗(yàn)調(diào)試與結(jié)果分析（可加頁）

三、調(diào)試過程（包括調(diào)試方法描述、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄，實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)的問題

等）

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