An introduction to computational materials science
Jia Hao (41130026)
Because traditional materials science faces the complexity and new experimental methods and instrumentation research study is difficult to meet the conditions and other issues, computational materials science and materials for the study of complex materials design attention. In this paper, the development trend of Materials Research, describes the research areas of computational materials science and basic idea of the material design. Then, introduces the computational materials science carried material design theory, research methods, structural analysis techniques and other related content. Some applications also cited the results of computational materials science.
Key words: Computer materials science, material design
Problems faced by traditional materials science
Development of materials science today faces two major problems. Firstly, because of the complexity of the study, extremely complex problem to solve a more complex molecular Schr?dinger equation are difficult to achieve; Although emerging prepare, within a certain range provides a new method for the experimental study. But mostly extremely expensive, only for individual or small group owned research question is also very limited. When traditional methods cannot meet the demand for new material preparation, people's eyes to the theoretical design of the auxiliary material. With the development of computer technology, computational materials science is becoming an important branch of materials research. In addition to the growing number of computer-controlled process parameters, the computer simulation, in-depth study of the material structure, composition and in various physical and chemical processes in the micro-change mechanism in order to achieve the best combination of material composition, structure and preparation parameters, namely with materials designed for the purpose of materials science has become the forefront of the development of hot spots, which is due to:
1. Computer simulation can be hard or impossible to achieve in real experiment, as the material under extreme pressure and temperature conditions of the phase transition;
2. Computer simulation studies cannot be conducted under the present experimental conditions and the following atomic scale, etc.;
3. Computer simulations can validate existing theoretical and simulation results to amend or improve the existing theory can also be based on the findings from the simulation to guide and improve laboratory experiments, therefore, computer simulation has become an addition to the experimental and theoretical materials science solved outside the first three major components of practical problems, make research materials out of the traditional "cooking method" (trial - error) and the development of principles-based approach. Research areas of computational materials science
Range of computational materials science research is extremely broad, calculated from the quantum mechanical Angstrom level to the continuum finite element or finite difference model, can be divided into four levels: electrons, atoms, microstructure and macroscopic levels.
Making at all levels of the simulation process, the different simulation methods have been considerable development of the micro-level and below spatial extent, molecular dynamics, Monte - Carlo method is the most powerful research tool. On macro issues, finite element method and finite difference method can effectively deal with practical problems. However, due to the combination between the various levels are not closely simulate, in the research process is often only for a study of local materials for a particular phenomenon, so the development of computational materials science is very restricted. So, how to develop one kind of new simulation methods to make four different levels coupled simulation to establish a unified computer simulation model, the key to the development of computational materials science. Development of computational materials science
As a relatively young new interdisciplinary, computational materials science from the 1960s to the 1980s represented a rapid development of physical and
chemical methods of calculation.
At that time, the wide application of quantum mechanics and complex molecules, such as the discovery of the DNA double helix, pushing people to the computer as a tool for the simulation of the dynamic behavior and reaction mechanisms of the interaction between the molecular structure of the molecule. Professor J. Pople Northwestern Polytechnic University quantify due to the development and popularization of modern computing methods to create a Gaussian atomic and molecular computing software, and received the 1998 Nobel Prize in Chemistry. 1983 successfully developed by a research team at Harvard University and the popularity of the CHARMM molecular dynamics software, marking the promotion from computer simulations of inorganic chemistry research to the field of life science research drug molecule design. Meanwhile, a computer simulation of the behavior of complex condensed matter systems, laid the foundation for its wide range of applications in the field of materials science, and thus form a computational materials science which relatively independent discipline.
The rapid development of computational materials science began in the late 1980s to the early nineties. Research focus from small molecules, atomic transition to larger systems in condensed matter systems. Object of study, including crystal and amorphous and other bulk materials. The study covers the surface, interface, polymers, and a variety of complex liquid crystal defects (such as dislocations) and so on. The past two decades, computational materials science in space and time scales to achieve a large-scale atomic-level calculations, the integration of first-principles calculations based on density functional theory (e.g., CASTEP, VASP, etc.), and the development of more sophisticated engineering simulation computing technology, materials science and engineering to provide a reliable and more complete multi-scale computing and simulation tools.
As with the theoretical analysis and experimental observations parallel research methods, computational materials science and engineering of materials provides a novel and effective research tools, to make up for the lack of theory and experiment. Atomic level and even electronic level calculations, to reveal the deformation, phase change, the proliferation of complex mechanisms, predict new phenomena, the development of new theories, the preparation of new structures, new functional materials, have practical significance. Computational Materials Science in materials design, preparation and teaching practice in the role and status of the material has been fully recognized, and increasingly strengthened. Computational materials science materials science is not just a sub-discipline, it brings people from a new perspective to realize teaching materials, materials research and materials engineering applications rare opportunity.
Development for the 21st century science and technology to nano-technology, bio-technology as a symbol. Nano-materials, nano-bio devices, materials research and application of multi-scale structure of computational materials science to provide a broader space for survival and development. Level of
2 Some materials response simulations of Potts model microstructures.
development of computational materials science, and it is a measure of an important symbol of modern materials science development; material as a level of basic research, the development of its national economy, national defense, environment and energy, etc., are of great significance.
Awareness and application of materials to promote the development of science and technology marked the progress of human history. However, due to the diversity and complexity of the material, and materials science inherently interdisciplinary nature of modern materials science and engineering is difficult to have a complete precise definition. Computational materials science is also facing the same problem.
The purpose of modern materials science, is not a simple discovery and use of materials, but to understand the nature of the material from the atomic level and even electronics and new materials designed and prepared on this basis. Materials scientists to "structure/composition- Preparation/synthetic – performance - service performance", the four-dependency awareness, from the perspective of cognitive science and engineering, clarified the basic characteristics of materials research and applications.
Simply put, to explore and build a new "structure - function relationships," is the basic idea of modern materials science. Materials explore ways can be broadly grouped into two categories: "top down" and "bottom." Using experimental methods in the traditional sense, as a means to understand the nature of physical observation material, revealing the material - the microscopic mechanism of "structural performance relationship", which studies ways to mean "top-down"; contrast, computer simulation from the known physics, chemistry and biology starting basic law, the model for the numerical calculation and analysis of materials based on specific assumptions, focusing on materials science and engineering applications on the basis of the key issues to realize the material structure - property relationships. " bottom-up "observation and understanding. Therefore, computational materials science to materials research provides a new means to make up for the lack of traditional experimental methods and theory.
In fact, scientists have long recognized that the use of model materials can provide a shortcut for the study of some important physical phenomena. After 1947 years ago, Cambridge University Cavendish Laboratory physicist WL Bragg with the "bubble valve" (bubble raft) to simulate the crystal structure, prove the existence of (their lattice grain boundaries and dislocations and other defects of the Hall-Petch relationship exists as crucial to the mechanical structure of nanomaterial’s size effect). At that time, many metallurgical physicists deny the existence of dislocations in the crystal lattice, and having a transmission electron microscope is not enough resolution to direct observation of the arrangement of atoms in a crystal. Through this classic ‘atomic level’ simulation experiments, Bragg successfully demonstrated the importance of material simulation, the article is accustomed to thinking of the experiment Feynman in his famous lecture in college physics text included. In addition, the gel system, plasma crystals as ideal ‘model’ materials in modern scientific research have been widely used. It is worth mentioning that, as the outstanding experimental physicist and founder of metallurgical nano-structured materials, Prof. H. Gleiter very persistent in computing research material. These examples show that the computer and real experiment has been tightly fused; excellent material for a scientist who, along with multiple identities (experimentalists, theorists, computer simulation experts) have been surprising.
Restricting materials - physical mechanism "structural properties" relationship can be described from different spatial and temporal scales. CS Smith believes the structure of the organization along the spatial scale materials can be roughly divided into four levels: Electronic level, atomic level, meso / micro-level and continuum (macro) level. This division also helps to clarify the associated multi-scale computational materials science methods, such as: calculation from first principles to classical molecular dynamics, Monte Carlo calculation of atomic levels; from the finite element calculation of the hydrodynamic phase field of computer-aided design. In general, electronic and atomic-level calculations are designed to achieve the scientific basis of the material, the purpose is to achieve understanding of the nature of the material; continuous medium or the finite element method is material design applications in materials engineering.
Since the core of the micro-structural levels has be achieved, these methods require the "structure - property relationships" organically integrated in order to
fully
achieve the ultimate goal of materials science and engineering computing, designed to provide a reliable reference material for broadly.
Computational Materials Science is an interdisciplinary penetration with many disciplines (materials science and engineering, physics, chemistry, chemical engineering, biomedical, space science, macromolecular science and engineering, mechanical, electrical engineering, nuclear power and energy, etc.). Although the field of computational materials science has been great progress, but with a real sense of material design, still a far cry. Especially for young materials scientists, this is a very attractive, challenging, and as a great field of scientific research.
Effective from a multi-scale computational materials science aided design, on the one hand depends on the application of high performance computers (hardware environment), on the other hand depends on constantly updated sound (software environment) calculation method. This requires engaging in computational materials science researchers not only proficient in certain existing computing software, and more importantly, can be the basis of chemistry, physics, biology-depth understanding of the basic laws for specific materials science, the key question , continue to enrich, develop and improve the existing calculation software, learn known "structure - property" relationships, discover unknown "structure - property" relationship, thus truly solve critical problems of materials science and engineering.
Conclusion
Computational materials science is an emerging science, the goal is to describe the details of the actual system simulation as detailed as possible and include the impact of the external environment. Thus, not only can simulate computational materials science experiments, but also the design of new materials in the preparation of
the material before and predict their properties. But science is still in the development stage, the difficulties on the basis of theory and practical application has not yet been fully resolved, to be co quantum theorists, materials scientists and engineering experts to solve this problem.
Acknowledgement
The author would like to than Dr. Zhang, who has been a helpful and responsible professor of this course.
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计算材料学 计算材料学是近20年里发展起来的一门边缘学科. 它运用固体物理理论, 理论化学和计算机算法来研究材料里的一些实验研究有困难的课题. 它是材料研究里的"计算机实验". 本课程主要介绍计算材料学里的原子和纳米尺度模拟的一些常用方法, 如原子相互作用势、最小能量法、分子动力学、蒙特卡洛方法, 也简单介绍了电子－原子尺度的模拟方法、微观－介观尺度的模拟方法、介观－宏观尺度的模拟方法和跨尺度模拟方法. 本课程还采用材料研究中的实际例子来说明这些方法的运用. 课程性质： 学时：32 对象：研究生 教学用语：中文/英语 先修课要求：高等数学, 大学物理, 量子与统计，固体物理 教学内容 1．绪论(2学时) 1.1 计算材料学的发展概况 1.2 计算材料学的范围与层次 2．原子相互作用势(4学时) 2.1 原子相互作用势的一般形式 2.2经验性对势 2.3 多体势 2.4 壳模型 2.5 键级势 3．最小能量法(6学时) 3.1 完整晶体结构模拟
3.2 缺陷模拟 3.3 自由能最小能量法 3.4 表面结构模拟 4．分子动力学方法(6学时) 4.1 原子系统的运动方程 4.2 运动方程的积分 4.3 边界条件 4.4 分子动力学方法在材料科学中的应用 5．蒙特卡洛方法(6学时) 5.1 随机数 5.2 蒙特卡洛积分 5.3 Metropolis蒙特卡洛方法 5.4蒙特卡洛方法的误差 5.5 蒙特卡洛方法在材料科学中的应用 6．电子－原子尺度的模拟方法简介(3学时) 6.1 Hartree-Fock 方法 6.2 分子轨道理论 6.3 从头计算法 6.4 紧束缚势方法 6.5 局域电子密度泛函理论 7．微观－介观尺度的模拟方法简介(3学时) 7.1 离散位错静力学和动力学 7.2 Ginzburg-Landau相场动力学模型
第1节材料科学与工程概述 1.1.1材料科学的内涵 材料科学就是从事对材料本质的发现、分析认识、设计及控制等方面研究的一门科学。其目的在于揭示材料的行为，给予材料结构的统一描绘或建立模型，以及解释结构与性能之间的内在关系。材料科学的内涵可以认为是由五大要素组成，他们之间的关联可以用一个多面体来描述（图1-1）。其中使用效能是材料性能在工作状态（受力、气氛、温度）下的表现，材料性能可以视为材料的固有性能，而使用效能则随工作环境不同而异，但它与材料的固有性能密切相关。理论及材料与工艺设计位于多面体的中心，它直接和其它5个要素相连，表明它在材料科学中的特殊地位。 材料科学的核心内容是结构与性能。为了深入理解和有效控制性 能和结构，人们常常需要了解各种过程的现象，如屈服过程、断裂 过程、导电过程、磁化过程、相变过程等。材料中各种结构的形成 都涉及能量的变化，因此外界条件的改变也将会引起结构的改变， 从而导致性能的改变。因此可以说，过程是理解性能和结构的重要 环节，结构是深入理解性能的核心，外界条件控制着结构的形成和 过程的进行。 材料的性能是由材料的内部结构决定的，材料的结构反映了材料 的组成基元及其排列和运动的方式。材料的组成基元一般为原子、 离子和分子等，材料的排列方式在很大程度上受组元间结合类型的 影响，如金属键、离子键、共价键、分子键等。组元在结构中不是 静止不动的，是在不断的运动中，如电子的运动、原子的热运动等。 描述材料的结构可以有不同层次，包括原子结构、原子的排列、相 结构、显微结构、结构缺陷等，每个层次的结构特征都以不同的方 式决定着材料的性能。 物质结构是理解和控制性能的中心环节。组成材料的原子结构，电子围绕着原子核的运动情况对材料的物理性能有重要影响，尤其是电子结构会影响原子的键合，使材料表现出金属、无机非金属或高分子的固有属性。金属、无机非金属和某些高分子材料在空间均具有规则的原子排列，或者说具有晶体的格子构造。晶体结构会影响到材料的诸多物理性能，如强度、塑性、韧性等。石墨和金刚石都是由碳原子组成，但二者原子排列方式不同，导致强度、硬度及其它物理性能差别明显。当材料处于非晶态时，与晶体材料相比，性能差别也很大，如玻璃态的聚乙烯是透明的，而晶态的聚乙烯是半透明的。又如某些非晶态金属比晶态金属具有更高的强度和耐蚀性能。此外，在晶体材料中存在的某些排列的不完整性，即存在结构缺陷，也对材料性能产生重要影响。 我们在研究晶体结构与性能的关系时，除考虑其内部原子排列的规则性，还需要考虑其尺寸的效应。从聚集的角度看，三维方向尺寸都很大的材料称为块体材料，在一维、二维或三维方向上尺寸变小的材料叫做低维材料。低维材料可能具有块体材料所不具备的性质，如零维的纳米粒子(尺寸小于100nm)具有很强的表面效应、尺寸效应和量子效应等，使其具有独特的物理、化学性能。纳米金属颗粒是电的绝缘体和吸光的黑体。以纳米微粒组成的陶瓷具有很高的韧性和超塑性。纳米金属铝的硬度为普通铝的8倍。具有高强度特征的一维材料的有机纤维、光导纤维，作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都具有特殊的物理性能。 1.1.2 材料科学的确立与作用 （1）材料科学的提出 “材料科学”的明确提出要追朔到20世纪50年代末。1957年10月4日前苏联发射了第一颗人造卫星，重80千克，11月3日发射了第二颗人造卫星，重500千克。美国于1958年1月31日发射的“探测者1号”人造卫星仅8千克，重量比前苏联的卫星轻得多。对此美国有关部门联合向总统提出报告，认为在科技竞争中美国之所以落后于苏联，关键在先进材料的研究方面。1958年3月18日总统通过科学顾问委员会发布“全国材料规划”，决定12所大学成立材料研究实验室，随后又扩大到17所。从那时起出现了包括多领域的综合性学科－－“材料科学与工程学科”。 （2）材料科学的形成 材料科学的形成主要归功于如下五个方面的基础发展： 各类材料大规模的应用发展是材料科学形成的重要基础之一。18世纪蒸汽机的发明和19世纪电动机的发明，使材料在新品种开发和规模生产等方面发生了飞跃，如1856年和1864年先后发明了转炉和平炉炼钢，大大促进了机械制造、铁路交通的发展。随之不同类型的特殊钢种也相继出现，如1887年高锰钢、1903年硅钢及1910年镍铬不锈钢等，与此同时，铜、铅、锌也得到大量应用，随后铝、镁、钛和稀有金属相继问世。20世纪初，人工合成高分子材料问世，如1909年的酚醛树脂(胶木)，1925年的聚苯乙烯，1931年的聚氯乙烯以及1941年的尼龙等，发展十分迅速，如今世界年产量在1亿吨以上，论体积产量已超过了钢。无机非金属材料门类较多，一直占有特殊的地位，其中一些传统材料资源丰富，性能价格比在所有材料中最有竞争能力。20世纪中后期，通过合成原料和特殊制备方法，制造出一系列具有不可替代作用的功能材料和先进结构材料。如电子陶瓷、铁氧体、光学玻璃、透明陶瓷、敏感及光电功能薄膜材料等。先进结构
材料科学研究方法概述 一．材料的定义、特点与分类 1.定义 物质经材料合成或材料化后才成为材料，材料具有指定工作条件下使用要求的形态和物理状态的物质。 2.分类 材料按物理化学属性可分为：金属、无机非金属、高分子材料、复合材料； 按来源可分为：天然材料和人造材料； 按用途可分为：功能材料和结构材料； 按状态可分为：气态、固态和液态。 3.材料的几大效应 （1）材料的界面效应 材料的界面有晶界、相界、亚晶界、孪晶界等。材料的力学性能、物理性能及化学、电化学性能都与材料的各种界面有着非常密切的关系。材料的形变、断裂与失效过程，起源于各种界面的占了大部分，材料加工过程中的各种变化也基本上都与界面有关。界面的研究在材料科学中有着重要的地位。不同材料的界面有以下几种效应。 A.分割效应。是指一个连续体被分割成许多小区域，其尺寸大小、中断程度、分散情况等对基体力学性能及力学行为的影响； B.不连续效应。界面上引起的结构、物理、化学等性质的不连续和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、耐热性、尺寸稳定性等； C.散射和吸收效应。界面处对声波、光波、热弹性波、冲击波等各种波产生的散射和吸收，影响材料的透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等； D.感应效应。界面产生的感应效应，特别是应变、内部应力及由此产生的某些现象，如高的弹性、低的热膨胀性、耐热性等。 界面问题涉及界面两侧原子的对势、电子态和电子结构、界面原子键合的性质、结合能、界面两侧晶体结构和界面晶体结构的关系、界面切变模量、界面位错形核与反应、环境对界面过程的影响等多方面的问题。界面的热力学、界面偏析、界面扩散、界面化学反应等都是材料科学中的重要问题，特别是纳米材料的界面及其新的效应、复合材料的界面更是现代材料科学研究中的热点。（2）材料的表面效应 晶体表面也是材料界面的一种，只是材料的固体表面和周围介质（气体、液体）的界面。材料表面的原子、分子或离子具有未饱和键，并且由于结构的不对称而造成晶格畸变，所以材料表面都具有很高的反应活性和表面能，而且具有强烈降低其表面能，力求处于更稳定能量状态的倾向。（3）材料的复合效应 复合材料具有的复合效应主要有线性效应和非线性效应。线性效应有平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应等；非线性效应有相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应等。一般结构复合材料具有线性效应，但很多功能复合材料则可利用非线性效应创造出来，最明显的是相乘效应。（4）材料的形状记忆效应 具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状的现象，称为形状记忆效应。具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。 （5）材料的动态效应 各类材料的失效大都是由量变到质变的动态过程。加强对失效动态过程的分析研究，才能更深刻地揭示材料的失效机理及其控制因素。 （6）材料的环境效应
- 第二章 思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点，并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因 2. 从结构、性能等方面描述晶体与非晶体的区别。 3. 何谓理想晶体何谓单晶、多晶、晶粒及亚晶为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性何谓空间点阵、晶体结构及晶胞晶胞有哪些重要的特征参数 4. 比较三种典型晶体结构的特征。（Al 、α-Fe 、Mg 三种材料属何种晶体结构描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。）何谓配位数何谓致密度金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等方面比较有何异同 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。何谓间隙固溶体它与间隙相、间隙化合物之间有何区别（以金属为基的）固溶体与中间相的主要差异（如结构、键性、性能）是什么 6. 已知Cu 的原子直径为A ，求Cu 的晶格常数，并计算1mm 3Cu 的原子数。 （ 7. 已知Al 相对原子质量Ar （Al ）=，原子半径γ=，求Al 晶体的密度。 8 bcc 铁的单位晶胞体积，在912℃时是；fcc 铁在相同温度时其单位晶胞体积是。当铁由 bcc 转变为fcc 时，其密度改变的百分比为多少 9. 何谓金属化合物常见金属化合物有几类影响它们形成和结构的主要因素是什么其性能如何 10. 在面心立方晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立方晶胞中画出（012）和（123）晶面。 11. 设晶面（152）和（034）属六方晶系的正交坐标表述，试给出其四轴坐标的表示。反之，求（3121）及（2112）的正交坐标的表示。（练习），上题中均改为相应晶向指数，求相互转换后结果。 12.在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标，6个面心构成一个正八面体，指出这个八面体各个表面的晶面指数，各个棱边和对角线的晶向指数。 13. 写出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等价晶面，请分别画出。
第一章 8．计算下列晶体的离于键与共价键的相对比例 (1)NaF (2)CaO (3)ZnS 解：1、查表得：X Na =,X F = 根据鲍林公式可得NaF 中离子键比例为：21 (0.93 3.98)4 [1]100%90.2%e ---?= 共价键比例为：%=% 2、同理，CaO 中离子键比例为：21 (1.00 3.44)4 [1]100%77.4%e ---?= 共价键比例为：%=% 3、ZnS 中离子键比例为：2 1/4(2.581.65)[1]100%19.44%ZnS e --=-?=中离子键含量 共价键比例为：%=% 10说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义．说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。 答：结构转变的热力学条件决定转变是否可行，是结构转变的推动力，是转变的必要条件；动力学条件决定转变速度的大小，反映转变过程中阻力的大小。 稳态结构与亚稳态结构之间的关系：两种状态都是物质存在的状态，材料得到的结构是稳态或亚稳态，取决于转交过程的推动力和阻力(即热力学条件和动力学条件)，阻力小时得到稳态结构，阻力很大时则得到亚稳态结构。稳态结构能量最低，热力学上最稳定，亚稳态结构能量高，热力学上不稳定，但向稳定结构转变速度慢，能保持相对稳定甚至长期存在。但在一定条件下，亚稳态结构向稳态结构转变。 第二章 1．回答下列问题： (1)在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： (001）与[210]，(111）与[112]，(110)与 [111],(132)与[123],(322)与[236］ (2)在立方晶系的一个晶胞中画出（111)和 （112)晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 (3)在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于（101). (011)和（112)晶面上的[111]晶向。 解：1、 2．有一正交点阵的 a=b, c=a/2。某晶面在三个晶轴上的截距分别为 6个、2个和4个原子间距，求该晶面的密勒指 数。
《微电子学导论》课程报告题目：光刻工艺概述 姓名：王泽卫 学号：2011700214 专业：材料科学与工程 完成日期：2014年11月17日
光刻工艺概述 摘要：从半导体制造的初期，光刻就被认为是集成电路制造工艺发展的驱动力。直到今天，集成电路正致力于把更多的器件和组合电路集成在一个芯片上，这种趋势仍在延续。在半导体制造业发展的五十年来，正像摩尔定律所阐明的，相比于其他单个技术来说，光刻对芯片性能的发展有着革命性的贡献。本文将从光刻的原理、工艺流程、以及目前先进的光刻工艺等几个方面对其进行介绍。 关键词：光刻原理、光刻工艺流程、先进光刻工艺 一、光刻概述 （一）光刻的概念及原理 光刻就是利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术，在工件表面制取精密、微细和复杂薄层图形的化学加工方法。在光刻的过程中，使用光敏光刻胶材料和可控制的曝光在硅片表面形成三维图形。光刻过程的其他说法是照相、光刻、掩膜、图形形成。总的来说，光刻指的是将图形转移到转移到一个平面的任一复制过程。因此，光刻有时就是指“复制”。 光刻的原理就是利用光致抗蚀剂(或称光刻胶)感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。在光刻的过程中，为获得令人满意的光刻图形，对光刻提出了几点要求：高分辨率；光刻胶高光敏性；精确对准；精确的工艺参数控制；低缺陷密度。 （二）光刻胶 光刻胶也称为光致抗蚀剂，它是由感光树脂、增感剂和溶剂三部分组成的对光敏感的混合液体。光刻胶主要用来将光刻掩模板上的图形转移到元件上。 根据光刻胶的化学反应机理和显影原理，可将其分为：正性光刻胶和负性光刻胶。负性光刻胶把与掩膜版上图形相反的图形复制到硅片表面。正性光刻胶把与掩膜版上相同的图形复制到硅片表面。 根据所能形成的图形的关键尺寸可将其分为：传统光刻胶（包括I线、G线和H线）和深紫外光刻胶。传统的光刻胶只适用于线宽在0.35μm和以上的硅
《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？ 答：材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答：同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力，过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，还需要考虑动力学条件，即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用，则阻力并不大，材料最终得到稳态结构。从原则上讲，亚稳态结构有可能向稳态结构转变，以达到能量的最低状态，但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现，而常温下的这种转变很难进行，因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题： （1）在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 32）与[236] （001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（132）与[123]，（2 （2）在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 解：（1）
第1章 习题解答 1-1 解释下列基本概念 金属键，离子键，共价键，德华力，氢键，晶体，非晶体，理想晶体，单晶体，多晶体，晶体结构，空间点阵，阵点，晶胞，7个晶系，14种布拉菲点阵，晶向指数，晶面指数，晶向族，晶面族，晶带，晶带轴，晶带定理，晶面间距，面心立方，体心立方，密排立方，多晶型性，同素异构体，点阵常数，晶胞原子数，配位数，致密度，四面体间隙，八面体间隙，点缺陷，线缺陷，面缺陷，空位，间隙原子，肖脱基缺陷，弗兰克尔缺陷，点缺陷的平衡浓度，热缺陷，过饱和点缺陷，刃型位错，螺型位错，混合位错，柏氏回路，柏氏矢量，位错的应力场，位错的应变能，位错密度，晶界，亚晶界，小角度晶界，大角度晶界，对称倾斜晶界，不对称倾斜晶界，扭转晶界，晶界能，孪晶界，相界，共格相界，半共格相界，错配度，非共格相界（略） 1-2 原子间的结合键共有几种？各自特点如何？ 答：原子间的键合方式及其特点见下表。 类 型 特 点 离子键 以离子为结合单位，无方向性和饱和性 共价键 共用电子对，有方向性键和饱和性 金属键 电子的共有化，无方向性键和饱和性 分子键 借助瞬时电偶极矩的感应作用，无方向性和饱和性 氢 键 依靠氢桥有方向性和饱和性 1-3 问什么四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型？ 答：如下图所示，底心四方点阵可取成更简单的简单四方点阵，面心四方点阵可取成更简单的体心四方点阵，故四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型。 1-4 试证明在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直。 证明：根据晶面指数的确定规则并参照下图，（hkl ）晶面ABC 在a 、b 、c 坐标轴上的截距分别为 h a 、k b 、l c ，k h b a AB +-=，l h c a AC +-=，l k c a BC +-=；根据晶向指数的确定规则，[hkl ]晶向c b a L l k h ++=。 利用立方晶系中a=b=c ， 90=γ=β=α的特点，有 0))((=+- ++=?k h l k h b a c b a AB L 0))((=+-++=?l h l k h c a c b a AC L 由于L 与ABC 面上相交的两条直线垂直，所以L 垂直于ABC 面，从而在立方晶系具有相
第一次课绘制简单分子 一、画一个苯酰胺 目的：介绍Materials Visualizer中画结构的工具。 用到的模块：Materials Visualizer 化学家每天都要处理很多种类的小分子和中间物。所以容易的创建模型对建模环境都是很重要的。苯酰胺是典型的小分子结构。以下通过建立他的结构来学习Materials Studio。下面是要建立的苯酰胺的结构： Benzamide 1.创建3D文档： 从菜单中选择File | New...打开New Document对话框。选择3D Atomistic Document（三维原子文档），按OK。建立了一个三维窗口，工程管理器中显示建立了名为3D Atomistic Document.xsd的文件。在工程管理器这个文件名上右击鼠标，选择Rename改名。键入my_benzamide的新名字，按回车。选择File | Save 命令，或按标准工具条中的按钮。在my quickstart文件夹（每个工程都对应一个同名的文件夹）中建立了名为my_benzamide.xsd的文件。 2. 改变到Ball and Stick球棍模型显示方式。 三维窗口中右击鼠标，选择Display Style，打开Display Style对话框，在Atom 选项卡上设置。Materials Studio能在任何显示方式下添加原子。 3. 画环和原子链。
在草画工具条上单击Sketch Ring 按钮，鼠标移到三维窗口。鼠标变为 铅笔行状提示你处于草画模式。鼠标榜的数字表示将要画的环包括的原子数目。可以通过按3-8的数字键改变。确保这个数字为6，三维窗口中单击。画出了一个6个C原子的环。如果安装ALT键单击，产生共振键。 现在单击草画工具条Sketch Atom 按钮，这是通用添加原子工具，可加 入任何元素，默认加入C原子。如下在环上加入两个C原子。在环上移动鼠标，当一个原子变为绿色时单击，键的一端就在这个原子上，移动鼠标再单击就加入了一个C原子，再移动，并双击。这样在环上加入了两个原子。另一种结束添加原子的方法是在最后一个原子位置单击，然后按ESC键。注意，新加入的原子的化学键已经自动加上。 注意：你可以按Undo 按钮取消错误操作。 4、加入氧原子。 按Sketch Atom按钮旁的向下按钮，显示可选元素，选择氧Oxygen，在支链上移动鼠标，当变为蓝色显示时单击，这个原子就有了一个化学键，移动鼠标并双击。加入了O原子。在3D窗口工具条上按按钮，进入了选择模式。 5. 编辑元素类型。 单击链末端的C原子，选定它。选定的对象用黄色显示。按Modify Element按钮旁的箭头，显示元素列表，选择Nitrogen氮，选定的原子就变为了氮原子。单击三维窗口中空白地方，取消选择，就可以看到这种变化了。 6．编辑键类型。 在三维窗口中在C和O原子中间单击选定C－O键。选定的键以黄色显示。按下SHIFT键，单击其它三个相间的键。现在选定了三个C－C键和一个C－O键。 单击Modify Bond 按钮旁的向下按钮，显示键类型的下拉列表，选择Double Bond双键。取消选定。 7. 调整氢原子和结构 现在可以给结构自动加氢。单击Adjust Hydrogen 按钮，自动给模型加入
《计算材料学》结课复习 1. 根据模拟对象（空间）尺度和（时间）尺度的不同，我们可以选择相应的方法展开计算材料学模拟。 2.将多原子体系理解为电子和原子核组成的多粒子体系，并利用（绝热近似） 将二者的行为区别对待，从而分别利用（量子力学）和(经典力学）进行处理。 3.材料的性质和行为取决于（组成材料的原子及其电子的运动状态），描述原 子和电子的运动的物理基础是（量子力学）。 4.模拟原子实体系行为的主要方法是（分子动力学），其基本物理思想是求解 一定物理条件下的多原子体系的（牛顿运动方程），给出原子运动随时间的演化，通过（统计力学方法）给出材料的相关性能。 5.描述微观粒子的运动行为采用的是（薛定谔方程），在（<10-13）的微观层次，方程放之四海而皆准。方程建立容易，困难在于（求解）。求解多粒子体系的（薛定谔方程）必须针对具体内容而进行必要的（简化）和（近似）。 6.离子实体系的（牛顿）方程决定着体系的（声波的传导、热膨胀、晶格比热、晶格热导率和结构缺陷等）性质。 7.电子体系的（薛定谔）方程决定着体系的（电导率、热导率、超导电性和磁 学性能）等等。 8.对电子体系的（薛定谔方程）引入（单电子）近似、（自恰场）近似和（非 均匀电子气）理论，建立了（hartree－fock理论）和（密度泛函理论），从 而实现电子体系的方程（可解）。 9.（量子力学）使材料科学的体系和结构都了发生深刻的变化，使化学和物理 学界限模糊理论上（趋于统一），带动材料科学进入（分子水平）。 10. 70余年，量子力学经受物质世界不同领域（原子、分子、各种凝聚态、基 本粒子和宇宙物质等）实验事实的检验，其正确性无一例外。任何（唯象理论）都不可与之同日而语。 11. 量子力学的第一原理方法只借助（5个基本物理常数）：电子电量、电子 ,h, c和k)，不依赖任何（经 质量、普郎克常数、光速和玻耳兹曼常数 (e, m e 验参数）即可正确预测微观体系的状态和性质。 12.材料建模的不同尺度：电子结构(electronic structure) DFT 10-10 , 原 子结构(atomistic) MD/MC 10-8, 微结构 (microstructure) FEM 10-6 , 连续体(continuum)CFD 10-3 13.各种方法的英文名字及简写：密度泛函方法 density functional theory(DFT),分子动力学模拟molecular dynamics (MD), 蒙特卡罗模拟monte carlo(MC), 有限元方法 finite element method (FEM), 计算流体力学Computational fluid dynamics (CFD).
计算材料学 分子动力学上机实验教程（2014.04） 课时安排、重要通知、更新、软件下载请见： https://www.doczj.com/doc/d010748981.html, 上机实验相关软件分类介绍 分子动力学：LAMMPS --- 附录1 操作系统：CentOS（linux）--- 附录2 可视化：Atomeye --- 附录3（课堂使用），OVITO --- 附录4（推荐课下使用） 画图：Gnuplot --- 附录5 文本编辑：Gedit：Linux，GNOME桌面环境下兼容UTF-8的文本编辑器。它使用GTK+编写而成，简单易用，支持包括gb2312、gbk在内的多种字符编码。 远程登录和文件传输：sftp（Xmanager） 附录1. LAMMPS介绍： LAMMPS-Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator, 大规模原子分子并行模拟器。美国Sandia 国家实验室开发，开放源代码且可以免费获取使用，使用者可以根据自己需要自行修改源代码。LAMMPS可以支持包括气态，液态或者固态相形态下、各种系综下、百万级的原子分子体系，并提供支持多种势函数。 且LAMMPS有良好的并行扩展性。 材料领域，LAMMPS已经是准标准化的分子动力学软件。 LAMMPS官网：https://www.doczj.com/doc/d010748981.html,/ 使用LAMMPS: (1)输入一般至少包括两个： (a)input文件: LAMMPS命令集成在该文本中，可以包括MD相关的模型结构，弛豫条件，加载方式，输出 内容等绝大多数信息。具体每一行语句在官网上有详细的解释。我们学习的一项主要内容是理解和改写input文件。 (b)势函数文件：将势函数的参数等信息独立出来，写成单独的一个文件，在input文件内调入使用。 (2)运行软件： 保证当前目录下写好了input文件和势函数文件，终端上输入命令（串行）: (3)输出一般有三个部分：（所有输出都与input文件与输出相关的指令相关） (a)直接输出在屏幕上，一些程序运行的关键信息直接出现输出屏幕上，一般是整个体系的信息。这些内容默 认保存在https://www.doczj.com/doc/d010748981.html,mmps文件里，我们称为log文件。 (b)输出记录每个原子信息的文件，有多种形式，我们的到的x.cfg文件是可以被可可视化软件Atomeye直接 读取的。也可以用gedit直接打开，可以看到每一行记录一个原子的信息，比如坐标，速度，动能，势能等。 (c)其它按照input文件中的指令计算并输出的文件或者是对log文件中的内容处理提取得到的文件。同样可 以用gedit打开，我们可以对其进行后续的分析，计算，画图等处理。 Input脚本语法介绍： （LAMMPS版本更新非常快，这里只是对本课程所需的命令及其它部分常用命令的介绍，关注LAMMPS官网https://www.doczj.com/doc/d010748981.html,/，是学习LAMMPS最有效的方法！） 以下□表示空格,红色表示可更改的参数
计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。 计算材料学- 学科介绍 计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。计算材料学主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。前者使材料研究不是停留在实验结果和定性的讨论上，而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性，有助于原始性创新，可以大大提高研究效率。因此，计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。 计算材料学- 研究领域 材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研究的四大要素，传统的材料研究以实验室研究为主，是一门实验科学。但是，随着对材料性能的要求不断的提高，材料学研究对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至要研究到电子层次。因此，材料研究越来越依赖于高端的测试技术，研究难度和成本也越来越高。另外，服役性能在材料研究中越来越受到重视，服役性能的研究就是要研究材料与服役环境的相互作用及其对材料性能的影响。随着材料应用环境的日益复杂化，材料服役性能的实验室研究也变得越来越困难。总之，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代 新材料研究和发展的要求。然而计算机模拟技术可以根据有关的基本理论，在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究，也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能，模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理，进而实现材料服役性能的改善和材料设计。因此，在现代材料学领域中，计算机“实验”已成为与实验室的实验具有同样重要地位的研究 手段，而且随着计算材料学的不断发展，它的作用会越来越大。 计算材料学的发展是与计算机科学与技术的迅猛发 展密切相关的。从前，即便使用大型计算机也极为困难的一些材料计算，如材料的量子力学计算等，现在使用微机就能够完成，由此可以预见，将来计算材料学必将有更加迅速的发展。另外，随着计算材料学的不断进步与成熟，材料的计算机模拟与设计已不仅仅是材料物理以及材料 计算理论学家的热门研究课题，更将成为一般材料研究人员的一个重要研究工具。由于模型与算法的成熟，通用软件的出现，使得材料计算的广泛应用成为现实。因此，计算材料学基础知识的掌握已成为现代材料工作者必备的 技能之一。 计算材料学涉及材料的各个方面，如不同层次的结构、各种性能等等，因此，有很多相应的计算方法。在进行材料计算时，首先要根据所要计算的对象、条件、要求等因素选择适当的方法。要想做好选择，必须了解材料计算方法的分类。目前，主要有两种分类方法：一是按理论模型和方法分类，二是按材料计算的特征空间尺寸(Characterist ic space scale)分类。材料的性能在很大程度上取决于材料的微结构，材料的用途不同，决定其性能的微结构尺度会有很大的差别。例如，对结构材料来说，影响其力学性能的结构尺度在微米以上，而对于电、光、磁等功能材料来说可能要小到纳米，甚至是电子结构。因此，计算材料学的研究对象的特征空间尺度从埃到米。时间是计算材料学的另一个重要的参量。对于不同的研究对象或计算方法，材料计算的时间尺度可从10-15秒（如分子动力学方法等）到年（如对于腐蚀、蠕变、疲劳等的模拟）。对于具有不同特征空间、时间尺度的研究对象，均有相应的材料计算方法。 目前常用的计算方法包括第一原理从头计算法，分子动力学方法，蒙特卡洛方法，有限元分析等。 计算材料学是目前材料科学中发展最快的科目。随着大量的论文发表和科研材料的科学家数量的快速增加，现在已有条件检验计算材料学对材料科学的影响。可以回顾以下计算机模拟在新材料的发展上起过什么作用，或许更重要的是，总结在材料性能的基础研究方面有哪些突破应该归公与计算机模拟。 有意思的是，人们对模拟方法的期望竟产会超过实际的结果，然而这些过高的期望往往更多来自非专业认识而不是那些正在做这些工作的饿人。如果问一个从事计算材料学的人关于现在使用的方法，他回非茶馆内谨慎地回答：尽管我们的方法很可靠，但仍需要大的发展。这些方法有欠缺并不奇怪，计算材料学只有几十年的历史。因此，我们在关注它现今的地位时，必须同样关注仿镇与建模的可靠性。这门年轻的学科，已经有诸多长足的发展，涉及到许多包含多种距离尺度的现象。 也许最原始的计算材料学是计算固体的电子结构。这些计算显然已经非常成功地表述了材料的结构和性质。现在，对于许多晶体材料，预计的点阵常数和实验值仅相差百分之几。最近的弹性常数计算方法得到了与实验值非常吻合的结果，而且实行起来也比实验容易得多。多体理论的发展，使得目前已能对简单半导体禁带宽度进行预测。 但是，基于这样一些成果，电子结构计算往往表述得似乎比实验值更精确。实际上，着些计算含有很多近似，而且很容易发生误导而得到错误的结论。此外，近似法限
Monte Carlo方法模拟及其应用 沈合平 （上海大学材料学院学院，上海200072） 摘要：扫描电子显微学中使用二次电子和背散射电子作为成像信号时遇到了一些问题，通过计算机模拟可以很好地解决这些问题.本文首先介绍了Monte Carlo方法，再介绍了Monte Carlo方法在扫描电镜模拟中的应用，并且总结了计算机模拟的发展方向。 关键词：扫描电子显微镜；衬度；Monte Carlo；计算机；模拟 Abstract:Scanning electron microscopy using the secondary electron and backscattered electron imaging signal as many problems encountered,which can be solved by computer simulation.This paper describes the Monte Carlo method, and then introduced the Monte Carlo method in the simulation of a scanning electron microscope, and summed up the direction of the computer simulation. Keywords:SEM;Contrast;Monte Carlo;computer;simulation 1. 引言 扫描电子显微学中使用二次电子和背散射电子作为成像信号。对于研究材料的表面形貌非常重要。低能二次电子主要反映试样的表面形貌特征,而较高能量的背散射电子既可在一定程度上反映试样的表面特征,也可表征试样的内部成分和结构差异。 多数二次电子的能量很小,从表面发射时的峰值能量仅为数eV,故其在材料内部的运动范围有限,只有那些在表面附近产生的二次电子才能从试样表面发射出来。二次电子主要用于表征试样的表面形貌特征。而具有较高能量的背散射电子则是入射电子在深入试样的内部后由于多次散射效应再从表面发射出来的那些电子,它们既包含试样的表面信息,也含有试样结构差异和内部成分的信息。 当用场发射扫描电镜观察数十纳米尺度以下的小颗粒时,衬度与大尺度颗粒的情形相差很大,二次电子图像仅仅呈现出一些亮点和较弱的光点,而背散射电子图像则显示大量的亮点,因此难以判定颗粒在基底表面的分布情况。由于该颗粒/基底体系的扫描电镜图像衬度的形成机制较为复杂[1,2],尚未得到理解,因而限制了从SEM图像中提取出有用信息。 如果能模拟计算二次电子和背散射电子信号产生的过程,将有助于理解扫描电子显微镜的成像和图像衬度机理。因此,研究者们利用电子散射轨迹模拟的Monte Carlo方法已做了一些研究,如Gauvin[3]模拟了一个嵌入到均匀基底内的球的背散射电子像和X射线像;Radzimski和Russ[4]基于利用Rutherford散射截面和Bethe阻止本领的单散射模型,模拟了多层多元素试样在二维方向上表面形貌的背散射电子像;而Yan和Gomati[5]则开发了一个三维的Monte Carlo程序用来模拟一些比较复杂试样的背散射电子和Auger电子像,但这个程序也要求试样的几何结构必须能被解析地表达出来,所以能模拟的情形仍然有限。特别是这些研究中还不能得到二次电子像,主要原因是因为计算二次电子发射的产额相当困难。 因此,无论从计算方法还是从应用前景,模拟成分非均匀和形貌特殊的试样成像(特别是二次电子像)均成为有重要意义的研究工作。 2.Monte Carlo方法 Monte Carlo 方法是在二战期间产生和发展起来的。他的奠基者是美籍匈牙利人数学家冯诺伊曼（J.Von Neumann 1903-1957）。作为Monte Carlo 方法的最初应用，是解决蒲丰氏
复习 特种陶瓷—材料的结构—．材料科学—无机非金属材料—失效—特种陶瓷— 硅酸盐水泥—热处理—纳米材料 判断题 1. 低碳钢的硬度及塑性均比高碳钢的高。错 2. 橡胶是在高弹态下使用的高分子材料。对 3. 玻璃是一种晶体材料，它具有透光性、抗压强度高、但脆性大的特点。错 4. 位错、空位、间隙原子都是实际晶体中的点缺陷。错 5. 什么是材料？如何进行分类? 材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用器件或物品的固体物质。 6. 什么是材料的成分？什么是材料的组织？什么是材料的结构？ 材料的成分是指组成材料的元素种类及其含量，通常用质量分数（w），也可以用粒子数分数表示。材料的组织是指在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反应各组成相形态、尺寸和分布的图像。材料的结构主要是指材料中原子的排列方式。 7. 材料科学与工程的四大要素是什么？ 材料成分，结构，工艺，性能。 8. 传统陶瓷坯料常见的成形方法及生产工艺？ 9. 什么是高分子材料？高分子材料具有哪些性能特点？ 高分子材料是由可称为单体的原料小分子通过聚合反应而合成的。力学性能：最大的特点是高弹性和黏弹性。电性能：绝大多数高分子材料为绝缘体。热性能：绝热性。 10. 什么叫复合材料？按基体材料分为哪几类？ 复合材料指由两种或更多种物理性能、化学性能、力学性能和加工性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。复合材料可分为基体相和增强相。按基体分为树脂基、金属基陶瓷基。
11. 陶瓷由哪些基本相组成？它们对陶瓷的性能有什么影响？ 晶体相、玻璃相、气相。 12. 简述提高陶瓷材料强度及减轻脆性的途径？ 13. 按照用途可将合金钢分为哪几类？机器零部件用钢主要有哪些？ 可分为结构钢，工具钢，特殊钢和许多小类。 轴，齿轮，连接件。 14. 材料典型的热处理工艺有哪些？什么叫回火? 退火、正火、淬火、回火。 钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的性能，将其加热Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。 15. 什么是特种陶瓷？阐述其与传统陶瓷的区别 特种陶瓷是以高纯化工原料和合成矿物为原料，沿用传统陶瓷的工艺流程制备的陶瓷，是一些具有各种特殊力学、物理或化学性能的陶瓷。 16 .谈谈你对材料的认识，材料的未来发展趋势
《计算材料学》实验讲义粗粒度模拟 实验名称：介观动力学模拟 一、前言 1、介观模拟简介 长期以来，化学家致力于从分子水平研究物质及其变化，而化学工程工作者主要研究物质在宏观体系的行为，介观层次的化学正是联系微观及宏观的桥梁，是从分子到材料的必由之路，同生命过程也有密切的关联。 由于介观模拟能够模拟的空间尺度（纳米到微米）、时间尺度（纳秒到微妙）更大，应用介观模拟方法可以模拟更加复杂的体系，例如：高分子熔体，高分子稀溶液自组装，表面活性剂溶液自组装，磷脂膜等胶体化学，高分子，生物大分子相关的内容。 目前介观模拟的方法很多，例如耗散颗粒动力学模拟方法(dissipative particle dynamics，DPD)，它是根据Hoogerbrugge和Koelman提出的一种针对柔性(soft)球模型流体动力学的模拟，并通过引入粒子间的谐振动势，来模拟聚合物的性质；元胞动力学方法（CDS），基于重整化群理论，对时间相关的Ginzburg-Landau方程直接用数值计算的方法在离散空间上进行描述。其中单个元胞的演化通常用双曲正切函数表示；动态密度泛函方法（DDFT或MesoDyn），应用于高分子体系，建立在粗粒化高斯链模型的基础上，实际上是一个动态的自洽场方法，使用了朗之万方程（Langevin’s equation）来描述体系演化的动力学。 （1）MS-Mesocite简介 MS Mesocite是一个基于粗粒度模拟方法的、可以对广泛体系进行模拟研究的分子力学工具集，模拟的对象大小尺寸在纳米到微米尺度范围，相应地，模拟变化的时间范围落在纳秒至微秒区间。MS Mesocite的模拟对象遍及多种工业领域，比如复合材料、涂料、化妆品以及药物控缓释等，它可以提供流体在平衡态下、在有剪切力存在下以及其它受限制条件下的结构与动力学性质。MS Mesocite 的突出特点是使用完全区别于传统介观模拟技术，转而采用力场(Forcefield)方法—比如MS Martini力场—来描述粗粒度之间的相互作用，从而得到体系的结构、和动力学特性，分析函数主要有角度分布，密度分布，径向分布函数，二面角分布，均方根位移等。同时，您还可以使用力场编辑工具对MS Mesocite的力场进