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计算材料学
《计算材料学》是一门新兴的学科，它研究系统地利用庞大的计算资源，根据材料物理学和化学原理，开展基础研究和应用研究。
在这里，我们将介绍计算材料学的研究方法，包括基础模拟、机器学习、数据挖掘和智能计算等。
计算材料学主要发展了三种模拟方法：基础模拟、机器学习和数据挖掘。
基础模拟是根据材料的物理和化学的基础原理，建立数学模型，以解决材料的结构、力学性能等问题，并得出结构-性能关系的计算方法。
机器学习可以探索从实验数据中获取的材料特性，并以此为基础建立合适的模型来预测新材料的性能。
数据挖掘可以以多个角度对大量材料数据进行分析，以更有效的方式找出有效的材料功能。
智能计算是计算材料学的另一个分支，它旨在基于计算机程序和机器学习算法，实现材料的设计。
智能计算的方法可以运用于各种材料的计算，从而更快更准确地确定最优的材料结构和性能。
《计算材料学》的研究主要集中在材料设计、制造、表征和模拟等领域，旨在通过应用计算机科学和材料科学，发展和评价新材料和新技术。
计算材料学能够以数据驱动方式来改善材料研究，帮助制造出质量更高、性能更好、功能更强的材料，为经济发展带来巨大红利。
计算材料学的应用涵盖了材料研究的方方面面，包括但不限于现代能源技术、节能环保技术和新型材料技术等。
计算材料学的技术也可以用于传统的材料领域，如航空航天、汽车和原电池等，以实现产品创新和技术进步。
近年来，计算材料学的发展取得了很大的成就，极大地推动了材料科学和技术的进步，提升了材料创新和应用的水平。
未来，计算材料学将继续发展，它可以为材料科学和工程提供更为深入的研究和应用，推动材料科技的进步，为科学发展和应用做出贡献。
计算材料学的进展及其应用计算材料学是一门交叉学科，它将计算机科学、物理学、化学和材料科学融为一体，以计算机模拟和计算为手段，探索材料的性质和行为规律。
随着计算机技术的不断发展，计算材料学已经成为现代材料科学的重要分支之一。
本文将从计算材料学的基本理论、方法和工具入手，介绍计算材料学的进展及其应用。
一、计算材料学的基本理论计算材料学的基本理论是材料原子结构与其宏观性能之间的内在联系。
材料的宏观性质由其原子结构所决定，即原子与原子之间的相互作用决定了材料的物理性质，而原子的结构和能量则由它们之间的化学键和局部环境所决定。
因此，计算材料学的核心任务就是建立原子模型和分子动力学模拟方法，研究材料的结构稳定性、力学性质、电子性质和热力学性质等各方面的特征。
二、计算材料学的方法和工具计算材料学的方法主要包括从头算方法和经验势函数方法。
从头算方法是一种基于量子力学原理的计算方法，它通过解决薛定谔方程来研究材料的性质和行为规律。
经验势函数方法是一种基于实验数据和经验规律的计算方法，它通过拟合材料的原子间势能和电子结构来模拟材料的性质。
这两种方法各有优缺点，可以根据具体问题选择使用。
计算材料学的工具主要包括量子化学软件、分子动力学软件和先进计算机设备。
量子化学软件可以用于模拟材料的电子结构和光电响应性质；分子动力学软件可以用于模拟材料的结构和动力学行为；先进计算机设备则可以提供大规模计算和高精度模拟的支持。
三、计算材料学的应用计算材料学已经在多个领域展现出了广泛应用价值。
下面列举几个典型应用案例。
1. 材料发现与设计。
计算材料学可以用于预测新材料的结构、稳定性和性质，辅助材料的发现与设计。
例如，通过基于密度泛函理论的材料计算，可以预测出新型能量储存材料的性质，进一步为新能源领域的技术研发提供指引。
2. 材料性能优化。
计算材料学可以用于研究材料的性能与结构之间的关系，发现结构优化方案，提高材料的性能。
例如通过模拟和优化材料缺陷，可以提高半导体材料的导电性和光电性能。
计算材料学专业
计算材料学是一门结合了材料科学、物理学、计算机科学和数学等多个学科的交叉专业。
它主要通过计算机模拟和计算的方法，研究材料的结构、性能、制备工艺以及它们之间的关系。
计算材料学专业的学生需要掌握扎实的数学和物理基础知识，同时还需要学习计算机编程和数值计算方法，以能够运用计算机模拟软件对材料进行分析和预测。
该专业的研究内容包括材料的原子和分子结构、晶体生长、材料的热力学和动力学性质、材料的缺陷和相变等。
在实际应用中，计算材料学可以帮助材料科学家和工程师在实验之前预测材料的性能，从而缩短研发周期、降低成本。
它还可以用于设计新型材料、优化材料的制备工艺、解决材料使用过程中出现的问题等。
计算材料学专业的毕业生在材料科学、工程、化学、物理等领域都有广泛的就业机会。
他们可以从事材料研发、工艺优化、模拟计算、数据分析等工作，也可以在科研机构、高校、企业等单位从事相关的研究和教学工作。
随着计算机技术的不断发展和材料科学的日益复杂，计算材料学的重要性也越来越凸显。
它为材料科学的研究和发展提供了一种高效、准确的手段，将在新材料的开发和应用中发挥越来越重要的作用。
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。
计算材料学研究——探索材料之本质与未来材料科学是现代科学技术中的重要分支之一，它在促进各个领域的发展中作出了不可或缺的贡献。
其中，计算材料学作为新兴的重要研究方向，为材料科学的发展提供了一种全新的思路和方法，被广泛应用于化学、物理、机械、电子等领域中。
一、计算材料学的基本概念计算材料学是指通过计算机模拟、数学分析和大数据挖掘等手段，从微观角度对材料进行全面深入的研究、分析和设计。
它以材料的基础理论及物理、化学、电学等方面的知识为基础，运用材料计算软件及高性能计算技术进行计算与分析，从而探究材料组成和结构、材料性质及其演化机制等信息，以便优化设计和制造出更高性能的新型材料。
目前，计算材料学的研究方向各异，包括材料模拟与计算、材料物理性质计算、表面物理与化学、材料先进加工技术等方面，使得材料的研究方法得到了创新和升级。
二、计算材料学的应用计算材料学的应用范围非常广泛，涉及国防、经济、生命、环境、汽车、航空航天、信息通讯等多个领域。
例如，在材料设计方面，传统方式通常是从实验室一步步试验和推进，然而这种方法需要大量时间和资金支持，并且很难设计和制造出跨越新世界的材料。
相较之下，计算材料学通过建立适当的数学物理模型及计算方法，能够快速、准确地进行材料的设计和预测。
这种新型的研究方式，缩短了材料开发周期，同时为材料创新及材料应用提供了新的机遇。
三、计算材料学发展现状从理论基础的角度，计算材料学的发展在于提高材料基础知识的密集度和精度，同时发展新型的计算方法和技术。
无论是从材料对称性求解方面，还是从电子结构理论预测材料性质来看，都需要成倍地提高计算速度和精度，这涉及到数值算法和信息科学和技术的发展。
因此，从基础理论出发，计算材料学需要逐渐发展出更加精准、可靠和高效的计算方法，不断完善材料模型及应用对象，从而为新材料的设计开发提供更强的支撑。
当前，国内外许多高端、先进的实验设备和计算资源得到了巨大发展，这使得计算材料学的研究范围得以不断拓宽，目前计算材料学结合大数据和人工智能技术正在不断深入版图。
计算材料学概述计算材料学是基于物理建模与数值计算方法，通过理论计算主动对材料-器件-微系统的本征特性、结构与组分、使用性能以及合成与制备工艺进行综合设计，达到对材料结构与功能的调控，并提供优化设计和协同制造技术的一门交叉边缘学科。
1 密度泛函理论密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。
密度泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理和计算化学领域最常用的方法之一。
在通常的多体问题电子结构的计算中，原子核可以看作静止不动的（波恩-奥本海默近似），这样电子可看作在原子核产生的静电势中运动。
电子的定态可由满足多体薛定谔方程的波函数描述：其中为电子数目，为电子间的相互作用势。
算符和称为普适算符，它们在所有系统中都相同，而算符则依赖于系统，为非普适的。
可以看出，单粒子问题和比较复杂的多粒子问题的区别在于交换作用项。
目前有很多成熟的方法来解多体薛定谔方程，例如：物理学里使用的图形微扰理论和量子化学里使用的基于斯莱特行列式中波函数系统展开的组态相互作用（CI）方法。
然而，这些方法的问题在于较大的计算量，很难用于大规模复杂系统的计算。
相比之下，密度函理论将含的多体问题转化为不含的单体问题上，成为解决此类问题的一个有效方法。
在密度泛函理论中，最关键的变量为粒子密度，它由下式给出霍恩伯格和沃尔特·科恩在1964年提出 [1]，上面的关系可以反过来，即给出基态电子密度，原则上可以计算出对应的基态波函数。
也就是说，是的唯一泛函，即对应地，所有其它基态可观测量均为的泛函进而可以得出，基态能量也是的泛函,其中外势场的贡献可以用密度表示成泛函和称为普适泛函，而显然不是普适的，它取决于所考虑的系统。
对于确定的系统，即已知，需要将泛函对于求极小值。
这里假定能够得出和的表达式。
对能量泛函求极值可以得到基态能量，进而求得所有基态可观测量。
对能量泛函求变分极值可以用不定算子的拉格朗日方法，这由科恩和沈吕久在1965年完成 [2]。
计算材料学
计算材料学是一门融合材料学、计算机科学和数学的新兴学科，旨在探索和理解材料行为，并利用计算机与数学模型来更好地设计新型材料。
材料行为受物理原理，物理性质和化学反应的影响，因此，研究材料行为的关键在于综合考虑这些物理原理、物理性质和化学反应。
计算材料学为此提供了一个结构化的方法，可以研究和理解材料行为，并利用它们来设计新型材料。
计算材料学主要关注物理、化学和力学方面的材料建模和仿真。
为了更好地研究材料行为，计算材料学需要利用物理模型、数学方法和计算机模拟技术。
物理模型可以用来描述材料的物理性质，并表示出它们之间的相互关系，如弹性模型、塑性模型和热力学模型等。
这些物理模型可以结合数学方法，如微分方程、数值方法和量子力学，来解决材料行为的复杂性问题。
在实际应用中，计算机模拟技术也被广泛利用，可以模拟材料在极端条件下的行为，并预测潜在性能。
计算材料学还可以用来帮助设计新型材料。
在计算材料学中，研究人员可以根据具体应用需求，利用物理模型、数学方法和计算机技术，研究材料的性能特征和潜在的行为。
例如，可以研究新型材料的热传导性能、机械性能、化学耐久性、腐蚀抗性等。
此外，计算材料学还可以用来研究新型材料的微观结构，诸如晶体结构、折射率和吸收率等特性，以及材料的加工和处理方式等。
计算材料学有助于提高材料科学技术水平，更好地设计新型材料，从而满足现代社会对高性能材料的需求。
计算材料学的发展已成为当
今世界科学研究的热点，并受到社会的广泛关注。
随着计算机技术和数学模型的进步，计算材料学越来越受到重视，将会发挥更大的作用，开发更多先进性能的新型材料，有助于改善人类生活质量。
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7.3 元胞自动机（CA）方法7.4 介观尺度动力学蒙特卡洛和波茨模型8．介观-宏观尺度的模拟方法简介(2学时)8.1 介观-宏观尺度上的有限元方法8.2 在宏观尺度上的有限差分方法8.3 多晶体弹性及塑性模型8.4 模型化与模拟的集成化教材：自编讲义参考书1．D. 罗伯编著《计算材料学》，化学工业出版社 2002年。
计算材料学的发展与应用随着科学技术的进步，计算材料学（Computational Materials Science, CMS）逐渐成为材料科学研究中不可或缺的一部分。
计算材料学是通过数学模型与计算机模拟来解决材料科学问题的一种新型研究方法。
本文将从计算材料学的发展历程、应用领域、技术特点及前景等方面进行综合介绍。
一、计算材料学的发展历程计算材料学作为一种革命性的材料科学研究方法，起源比较早。
20世纪60年代，量子力学理论在计算机中的应用为计算材料学的发展奠定了基础。
70年代初，分子动力学模拟在金属、气体和液体的热力学和动力性质的计算研究方面得到了广泛的应用，这标志着计算材料学的研究进入到了一个新的阶段。
80年代，随着高性能计算机的出现，计算模拟方法的应用范围越来越广。
90年代，纳米科学和纳米技术的兴起促进了计算材料学的发展，纳米材料、晶体表面、分子反应动力学、微观流体动力学和生物物理化学等研究领域取得了突破性进展。
21世纪以来，计算材料学逐渐成为材料科学研究的热点领域，形成了材料设计与计算、材料工艺与计算、材料性能与计算三大研究方向。
二、计算材料学的应用领域计算材料学在材料科学研究领域应用十分广泛。
例如：材料的电磁性能、磁性材料学、凝聚态物理学、材料的分子结构分析、生物材料学、材料力学性能预测等。
计算材料学在高分子材料的研究中被广泛应用，例如计算高分子复合材料的性能、晶态高分子共聚物的相行为和热力学性质，还可研究高分子的物理、化学和力学性质等。
计算材料学在新型半导体纳米材料设计和性能研究的应用也已成为研究热点，粒子尺寸对新型材料的电学性能、光学性能和催化活性等具有显著的影响，利用计算材料学进行多尺度模拟有助于深入理解纳米材料的特性。
三、计算材料学的技术特点1. 精确性高。
计算材料学能够准确理解和模拟材料的结构、电子结构、能级和动力学性质等，并能为材料设计与研发提供准确的理论指导。
2. 灵活性和高效性。
摘要：本文通过第一性原理方法，从理论角度研究掺杂 ZnO 的电子结构（包括能带结构、电子态密度）。
氧化锌（ZnO）是一种有着广泛的应用前景的宽带隙半导体材料，属 II-VI 族,在光电和压电等方面有着优越的价值。
在室温下禁带宽度为 3.37eV，束缚激子能高达60meV。
关键词：ZnO 第一性原理能带结构态密度
ZnO 是一种有着十分广泛的应用前景宽带隙半导体材料。
ZnO 有三种晶体结构，如图 1（a）、（b）、（c）分别是纤锌矿结构、闪锌矿结构、岩盐矿结构。
自然条件下以四配位纤锌矿结构存在—低压稳定相。
闪锌矿结构可以在立方基底上生长获得，而岩盐矿结构通过对纤锌矿加压，在压力大于 9GPa 条件下得到。
究人员通过大量的实验发现：纤锌矿结构的 ZnO 是性质最稳定的一种宽禁带氧化物半导体材料之一。
（a）（b）（c）
图1 ZnO 有三种晶体结构
1 模型构建与计算方法
1.1 模型构建
理想ZnO 是六方纤锌矿结构, 属于P63/mc 空间群, 对称性为C6v-4, 晶格常数
a=b=0.3249 nm, c=0.5206 nm, α= β = 90°, γ=120°. 其中c/a 为1.602, 较之理想六角密堆积结构的1.633 稍小. c 轴方向的Zn—O 键长为0.1992 nm, 其他方向为0.1973 nm,其晶胞由氧的六角密堆积和锌的六角密堆积反向套构而成.计算选用 2×2×2 的 ZnO 超晶胞，由 8 个 ZnO 单胞组成，共包含 32 个原子。
如图2所示
图2 ZnO的结构模型（正视图和俯视图）
1.2 计算方法
文中所有的计算工作均由MS 软件中的Castep软件包完成. Castep 软件是一个基于密
度泛函方法的从头算量子力学程序: 利用总能量平面波赝势方法, 将粒子势用赝势替代,电子波函数用平面波基组展开, 电子-电子相互作用的交换和相关势由局域密度近似(LDA)或广义梯度近似(GGA)进行校正, 它是目前较为准确的电子结构计算的理论方法。
2 计算结果与讨论
2.1 ZnO的能带结构和态密度
如图3和图4所示,结构优化后对ZnO的能带结构、总态密度进行了计算,得到了ZnO 的带隙值为3.3eV,与文献中计算出的带隙值3.4eV相似,设:费米能级(Ef)是0。
图3 ZnO的能带结构
图4 ZnO的总态密度
由图可知,ZnO理论预测是一种直接宽禁带半导体材料,导带底和价带顶都位于布里渊区中心Γ点处,自然条件下Zno是“单极性”n型半导体材料`,计算结果与用其它理论方法计算的结果相符。
从图中可以看出,ZnO的价带基本上可以分为三个区域,即-6.5eV～-4.0eV的下价带、-4.0eV～0.0eV的上价带区,以及位于-18eV处的宽度为0.95eV的价带。
显然,ZnO上价带区主要是由O2p态形成的而下价带区则主要是Zn3d态贡献的;对于由02S态贡献的在-18eV处的价带部分,与其它两个价带之间的相互作用较弱,对ZnO整体的性质影响不大。
导带部分,其主要来源于Zn4s态的贡献,且电子具有明显的从Zn4s态到O2p态的跃迁过程,引起氧位置处的局域态密度的引力中心向低能级方向移动,表明理想Zno是一个离子性较强而共价键较弱的混合键金属氧化物半导体材料。
尽管采用了广义梯度近似和局域密度近似,但计算的带隙值(Eg=-1.9eV和1.4eV)仍然偏低。
这主要是由于局域密度近似和广义梯度近似都存在E:计算值偏低的普遍性问题。
对ZnO晶体而言主要是计算中过高地估计了Zn3d的能量,造成Zn3d与O2P相互作用的增大,结果使价带带宽增大,带隙偏低。
但这并不影响对ZnO电子结构的理论分析,尤其是对于Γ点处的能带结构与以前的理论和实验值完全符合,从图中可以看出价带顶发生了三重简并,能量由高到低按Γ7、Γ8、Γ9顺序排列,而导带为Γ7。
从计算的能带图3可以看出ZnO是一种直接宽禁带半导体,导带底和价带顶位Brillouln区的F 点处,带隙为-1.9eV和1.4eV,与实验值的相对误差在35%左右,较其它理论计算的误差值小。
对于来源于Zn3d态的下价带部分能级变化非常缓慢,而0P2贡献的上价带部分相对于导带却比较平滑,因此价带空穴具有大的有效质量,这或许是造成ZnO晶体p型掺杂困难最主要原因之一。
由态密度图可以看出,下价带区主要是Zn3d电子态,上价带区主要是O2P电子态;对于由O2S电子态贡献的在一18eV处的价带部分,由于与其它两个价带之间的相互作用较弱,本文将不做过多讨论。
ZnO的导带部分由Zn4s电子态4p电子态和O2P电子态贡献,其中Zn4s电子态的贡献较大,特别在价带底部,主要由Zn4s电子态贡献。
Zn、O的最外层电子分别集中于导带底和价带顶,表明理想ZnO是一个离子性较强而共价键较弱的混合键金属氧化物半导体材料。
3 结论
1)本文采用密度泛函理论GGA 的超软赝势能带计算方法, 研究了纤锌矿ZnO 。
分析了N 掺杂ZnO 晶体的能带结构、电子态密度。
2）计算和分析结果表明,ZnO是一种直接宽禁带半导体材料，带隙值为3.3eV，理想ZnO是一个离子性较强而共价键较弱的混合键金属氧化物半导体材料。
参考文献
[1]何开华.典型半导体材料的第一性原理研究.[硕士学位论文],成都:四川师范大学,2009
[2]汪丽莉. 热电材料的第一性原理计算与研究[D].武汉大学,2009.
[3]张雍家. 半导体及多铁材料的磁性研究[D].山东大学,2013.
[4]王琰,张佳,张晓光,王守国,韩秀峰. MgO单晶势垒磁性隧道结的第一性原理计算和实验研究
[J]. 物理学进展,2009,04:375-391.
[5]于晓慧. 金属掺杂TiO_2和ZnO的第一性原理研究[D].江苏大学,2010.
[6]史守山. 掺杂ZnO的第一性原理研究[D].河北大学,2014.
[7]李河. ZnO电子结构与基本属性的第一性原理研究[D].武汉理工大学,2010.
[8]Duenow J N, Gessert T A, Wood D M, et al. Effects of hydrogen ambient and film thickness on
ZnO:AI properties[J]. Journal of Vacuum Science and Technology, 2008, 26(4):692-696.
[9]一Lee S H, Lee T S, Lee T S, et al. Characteristics of hydrogen co-doped ZnO:AI thin films[J]. Journal
of Physics D: Applied Physics, 2008, 41(9):95303-95309.
[10]Chen L,Chen W H, Wang J J, et al. Hydrogen-doped high conductivity Zn0 films deposited by
radio-frequency magnetron sputtering[J]. Applied Physics Letters, 2004, 85(23):5628-5630.。
