计算材料学讲稿-6
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《计算材料学》课程教学大纲一、课程名称(中英文)中文名称:计算材料学英文名称:Computational Materials二、课程代码及性质课程代码:0817941课程性质:专业选修课程,选修三、学时与学分总学时:32(理论学时:32学时;实践学时:0学时)学分:2四、先修课程高等数学、大学物理、量子力学、计算机基础、C++编程。
五、授课对象本课程面向材料科学专业、功能材料专业学生开设六、课程教学目的(对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用)《计算材料学》是以计算机为工具,应用适当的数学方法,对材料科学问题进行数值分析与研究、对材料性质及过程进行数值模拟的新兴学科,是研究材料问题的一种新方法。
它紧密地联系实验与理论,加快材料研发进程。
本课程将针对微观模拟方法中的分子动力学进行介绍,学习分子动力学方法软件lammps并应用于材料各种重要性质的模拟。
本课程总的教学目的:(1)掌握分子动力学模拟的基本原理和流程,理解分子动力学的基本要素及其对模拟结果的重要性。
(2)学会使用lammps程序,并掌握使用模拟方法对材料的常见性质如晶格常数、弹性常数、热膨胀系数、热导率等进行模拟,并用于材料问题的前沿研究;(3)提高和锻炼学生的科研能力,包括文献调研、抽象建模、编程能力、数据处理以及结果分析等能力;(4)提高和锻炼学生的团队领导、合作交流、PPT制作、成果展示、英语阅读和写作能力等。
七、教学重点与难点:教学重点:1.分子动力学基本概念:边界条件、势函数、优化算法2.材料相关性质的模拟:热膨胀系数、熔点、热导率的计算方法教学难点:时间平均与系综平均、边界条件、邻域列表、优化算法、热导率模拟。
八、教学方法与手段:教学方法:(1) 以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成;(2) 安排适量的课堂讨论环节,并通过介绍分子动力学方法在材料领域的前沿研究应用,使学生了解最新的科研动态,并提供相关题目,鼓励学生自由组合,分组进行研究和讨论。
第三周计算材料学——第一性原理本课学习的要求和目的:计算材料学的一个重点就是掌握材料的计算机设计,即直接通过理论模型和计算,预测和设计材料结构与性能。
而第一性原理方法的学习正是满足这一要求,因此,通过本专题的学习,使同学们在掌握该方法的基本理论思想的基础上,进而应用计算机手段来完成材料结构和性能预测的目的。
引言材料是由许多相互接近的原子排列而成,排列可以是周期性的,也可以是非周期性的。
材料中离子和电子的数目均达到 1024/cm3 的数量级,这是一个复杂的多粒子系统,虽然原则上可以通过量子力学对系统进行求解,但由于过于复杂,必须采取合理的简化和近似才能用于实际材料的计算。
量子力学建立于 20 世纪 20 年代,但对于固体的了解仅在过去的30 年才. 开始,原因是固体中存在着复杂的电子一离子、电子一电子相互作用。
目前,固体量子理论的发展在利用计算机的条件下己经用来探索和预测尚未合成的新材料。
Cohen 教授所发展的第一性原理方法,近年来在预测新材料性能方面有两个突出事例 :一是预报存在 Si 的高质金属相及其超导性 ;二是预报 C3 从超硬材料。
第一性原理方法是在电子层次上研究材料的性能。
所谓第一性原理,即从最基本的物理规律出发,求解体系的薛定愕 (schr6dinger)方程以获取材料性能方面的信息,从而理解材料中出现的一些现象,预测材料的性能。
除原子构型外,它不需要任何其他的经验参数,因此,第一性原理方法是一种真正意义上的预测。
第一性原理方法的基本计算结果为体系总能量以及电荷分布 (电荷密度,态密度 ),很多更加实用的量如弹性常数,点及面缺陷的形成能均可从这些量推演而来。
更进一步,借助于某些统计力学,第一性原理计算还可为相变及合金中的相图本质提供有益的启示。
近年来,第一性原理在新材料的理论预测中起到了重要的作用。
用第一性原理来计算晶体的原胞大小,误差仅为几个百分比,其它的几何结构行为,如杂质的位置、位错、缺陷的结构、晶粒界面及表面同样可以用第一性原理计算方法来计算,这里只简单的介绍这些方法的基本思路和框架。
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:Benzamide1.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,自动给模型加入数目正确的氢原子。
单击Clean 按钮,调节结构的显示,它调整模型原子的位置,以便键长、键角、和扭矩显示的合理。
8. Kekule和共振键转变。
Materials Studio的计算键工具可以容易的在KeKule(开库勒)和共振显示模式间转变。
选择Build | Bonds命令,打开Bond Calculation对话框。
在Bonding Scheme (键模式)选项卡中,Option部分选中Convert representation to checkbox,空格里默认显示Kekule,选择Resonant。
按对话框底部的Calculate(计算)按钮。
C环以共振方式显示。
本例子中要以Kekele方式显示,所以选择Edit |Undo命令,或者按标准工具条中按钮,取消刚才的计算。
关闭Calculate Bonds对话框。
9. 查看修改键长:你可以使用草画工具条Measure/Change工具来查看修改距离、角度和扭矩等。
Measure/Change tool单击Measure/Change按钮旁的向下按钮,选Distance(距离),然后鼠标在氧原子上移动,直到它以蓝色凸出显示,单击。
同样方式单击和氧原子成键的那个C原子。
这样建立了一个距离监视器,以埃为单位显示键长。
鼠标在三维窗口中空白处向下拖动,增加C-O键长度,再按Clean按钮。
监视器的数值显示出当前的长度。
最后,单击Rotation Mode(旋转模式)按钮,拖动鼠标,以不同角度查看模型。
距离监视器的颜色在活动时为红色,不活动时为蓝色。
你可以使用Properties Explorer(属性管理器)查看你创建的模型的有关信息。
选择View | Explorers | Properties Explorer命令打开属性管理器。
属性管理器一般停靠在窗口坐标。
可以在它标题栏拖动取消停靠或者停靠在其它地方。
单击属性管理器中的Filter下拉菜单,选择molecule(分子)。
二、绘制苯酚(1).打开MS Modeling:运行MS Modeling 并且生成一个新的3D 文档。
(2). 绘制环:并在文档中绘制一个6 元环。
注意当你在绘制的同时按下Alt 键,会绘制带虚线的六元环,表示在这里有部分双键的性质,即为芳香键。
(3)加氧原子:由于苯环中六个碳原子完全相同,因此可以在任何一个碳原子上加入氧原子。
在Sketch 工具栏上单击Sketch Atom 按钮,在任意碳原子上单击并拖拽生成氧原子。
在Sketch 工具栏上单击Auto Hydrogen 按钮自动为分子加入合适的氢原子,同时按下Clean 按钮,以获得更具有化学合理性的分子结构。
绘制完成后,可以用不同的观测工具对分子进行平移、旋转和缩放操作。
三、绘制双环戊二烯双环戊二烯经常被用到杀虫剂和除草剂的合成工艺中。
首先在新文档中加入一个六元环,然后将环的尺寸改为五元环。
将鼠标移动到六元环的一个键上,当该键变为蓝色的时候按下鼠标左键将在该六元环上加入一个五元环结构。
选择Sketch Atom 按钮,保证绘制原子为碳原子。
在下图的1、2 号原子之间连续单击以生成桥碳原子。
选择3、4 号键,并在Bond Type 按钮中将其设置为双键。
最后我们将为其加入合适的氢原子并对整个结构进行整理。
第二次课用第一性原理预测AlAs 的晶格参数背景:最近在密度泛函理论方法(DFT)应用于大周期系统的研究方面的进展在解决材料设计和加工上变得越来越重要。
该理论允许对实验数据进行解释,测定材料的潜在性质等等。
这些工具可以被用来指导新材料的设计,允许研究者了解潜在的化学和物理过程。
本指南描绘了CASTEP 是如何使用量子力学方法来测定材料的晶体结构,使用者将学会如何构建晶体结构,设定一个CASTEP 几何优化任务,然后分析计算结果。
本指南运行的几何优化任务需要耗费巨大的计算时间。
1. 构建AlAs 晶体结构构建晶体结构,需要了解空间群、晶格参数和晶体的内坐标等知识。
对AlAs 来说,空间群是F-43m,空间群代号为216。
基态有两个原子,Al 和As 的分数坐标分别为(0, 0, 0)和(0.25, 0.25, 0.25),晶格参数为5.6622 Å.。
第一步是建立晶格。
在Project Explorer 内,右击根目录选择New | 3D Atomistic Document。
右击该文件,将该文件重新命名为AlAs.xsd。
从菜单栏里选择Build | Crystals | Build Crystal。
Build Crystal 对话框显示出来。
点击Enter group 输入216,按下TAB 按钮。
空间群信息更新为F-43m 空间群。
选择Lattice Parameters 标签栏,把值从10.00 变为5.662。
点击Build 按钮。
一个空白的3D 格子显示在3D Atomistic 文件里。
现在可以添加原子。
选择菜单栏里的Build | Add Atoms。
使用这个对话框,可以在确定的位置添加原子。
在Add Atoms 对话框上,选择Options 标签栏。
确认坐标系统设置为Fractional。
选择Atoms 标签栏。
在Element 文本框里,输入Al,然后按下Add 按钮。
铝原子被添加到结构中。
在Element 文本框中,输入As。
在a、b 和c 文本框分别输入0.25。
按下Add 按钮。
关闭此对话框。
原子被添加到结构中,对称算符被用来建立晶体结构中的剩下的原子。
原子也会显示在相邻元胞中,这描绘了AlAs 结构的化学键的拓扑图像。
从菜单中选择Build | Crystals | Rebuild Crystal...。
按下ReBuild 按钮。
外部原子被移走,并且晶体结构显示出来。
可以把显示模式改为球棍模式。
右击结构文件,选择Display Style。
在Atom 标签栏上,选择Ball and stick 选项。
关闭此对话框。
3D Viewer 内的晶体结构是传统元胞,显示了晶格的立方对称性。
CASTEP 使用晶格的完全对称性,如果存在的话。
这样,每个元胞包含两个原子的原始晶格可被用来计算,这与包含了8 个原子的传统晶格不同。
电荷密度、键长和每个原子的总能量将是一样的,而不管这个元胞是如何被定义的。
这样,在元胞中使用了较少的原子,计算时间将被缩短。
Note:在计算磁系统时需要注意对自旋极化的计算,这时候电荷密度自旋波的周期是原始元胞的数倍。
选择菜单栏里的Build | Symmetry | Primitive Cell。
模型文件显示为原始胞。
2. 设置CASTEP 计算任务选择工具条中的CASTEP 工具,然后选择Calculation。
CASTEP 的Calculation 对话框显示为:现在需要对结构进行几何优化。
把Task 改为Geometry Optimization,计算精度设置为Fine。
优化的默认设置是只对原子的坐标进行优化。
然而,本例中,在对原子坐标进行优化的同时也要对晶格进行优化。
按下与Task 相关的More…按钮,勾选上Optimize Cell 关闭此对话框。
当改变计算精度的时候,其他的参数也会自动作相应的变化。
选择Properties 标签栏。
在Properties 栏里,可以指定需要计算的性质。
勾选上Band structure 和Density of states。