計算材料學(xué)實驗

1、實驗四利用 Material Studio分析研究晶體材料性能一、實驗?zāi)康?、了解Material Studio(MS)軟件中有關(guān)固體材料科學(xué)設(shè)計各個模塊功能；2、掌握在 MS軟件Materials Visualizer 子模塊中創(chuàng)建晶體結(jié)構(gòu)模型；3、掌握在 MS 材料計算軟件中研究晶體材料性質(zhì)的方法；4、掌握查看和分析晶體材料屬性的方法。5、分析AlAs晶體的晶格常數(shù)、態(tài)密度、能帶圖等性質(zhì)。二、實驗原理及方法 Materials Studio 是世界上著名的計算材料軟件，其擁有十分強大的材料計算和設(shè)計功能。該軟件中的Materials Visualizer 子模塊，可用于構(gòu)建晶體模型。根據(jù)晶

2、體學(xué)與本課程所學(xué)知識，每種晶體都有其特有的晶體結(jié)構(gòu)排布，每個原子占據(jù)一定的原子位置，每種晶體都具有相應(yīng)的晶格常數(shù)、對稱性等晶體學(xué)數(shù)據(jù)。 Materials Visualizer 子模塊可給出晶體結(jié)構(gòu)的直觀模型，并可以分析出晶體的晶格參數(shù)、空間群、原子坐標(biāo)的數(shù)據(jù)。 CASTAP是特別為固體材料學(xué)而設(shè)計的一個現(xiàn)代的量子力學(xué)基本程序，其使用了密度泛函(DFT）平面波贗勢方法，進(jìn)行第一原理量子力學(xué)計算，以探索如半導(dǎo)體，陶瓷，金屬，礦物和沸石等材料的晶體和表面性質(zhì)。Material Studio使用組件對話框中的CASTAP選項允許準(zhǔn)備，啟動，分析和監(jiān)測CASTAP服役工作。 CASTAP的任務(wù)：能量任

3、務(wù)、幾何優(yōu)化任務(wù)、動力學(xué)任務(wù)、性質(zhì)任務(wù)。三、實驗儀器 Materials Studio 軟件、計算機。四、實驗步驟1.構(gòu)建晶體模型（1）創(chuàng)建空的單胞：build -build crystal，選擇合適的空間群和晶格常數(shù)。（2）添加原子： build -add atoms輸入原子種類及原子坐標(biāo)。若有原子在晶胞外，選擇rebuild。（3）構(gòu)建原胞：build -symmetry primitive cell。 2.晶體模型計算（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化：modules -CASTEP calculation-setup -task -geometry optimization，計算精度根據(jù)計算的時間要求及單

4、胞中的原子個數(shù)，一般選為fine；函數(shù)選默認(rèn)的GGA-PBE 方法。（2）性質(zhì)計算：在setup 的同級對話框中選擇properties，CASTEP 可完成的性質(zhì)計算及計算過程中的計算精度控制等都可以在本對話框中進(jìn)行選擇。然后點擊run，開始進(jìn)行計算。3.晶體模型分析根據(jù)Modules-CASTEP -analysis 工具，可以分析出已計算的晶體性質(zhì)。五、實驗結(jié)果分析1.AlAs晶體結(jié)構(gòu) AlAs空間群是F-43m，它的晶格參數(shù)為5.6622埃，依照步驟對AlAs晶體計算。 計算后優(yōu)化的3D視圖的晶胞以及其電子密度等能面如下圖所示：半導(dǎo)體（AlAs晶胞）的能態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)圖如下：從以上的

5、圖中可以看出，上方區(qū)域的線條表示的是導(dǎo)帶，下方區(qū)域的線條表示價帶，中間空白區(qū)域是禁帶。禁帶寬度在半導(dǎo)體范圍內(nèi)，這表明AlAs晶體具有半導(dǎo)體的性質(zhì)。在態(tài)密度曲線圖中，虛線表示的是費米能級。 能帶圖顯示的是在布里淵區(qū)中K矢量沿著高對稱性方向上的電子能量依賴度。一個原子的一個原子軌道在一維周期條件下將產(chǎn)生一條能帶，能帶的帶寬取決于這些原子軌道的在周期方向上的成鍵強度，強度越大，帶寬越大，成鍵越弱，帶寬越小。介電函數(shù)與頻率的關(guān)系曲線如下圖所示：能量變化、最大位移量、最大內(nèi)力、最大應(yīng)力的收斂變化規(guī)律如下圖所示： 從上圖的吸收度和頻率關(guān)系可以看出，先迅速增長再逐步下降，主要形成一個峰值。2. NaCl晶體

6、結(jié)構(gòu) NaCl空間群是225-FM3M，它的晶格參數(shù)為5.642埃，依照步驟對NaCl晶體計算。 計算后優(yōu)化的3D視圖的晶胞以及其電子密度等能面如下圖所示：Nacl晶胞的能態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)圖如下： 圖中上方區(qū)域的線條表示導(dǎo)帶，下方區(qū)域的線條表示價帶，中間空白區(qū)是禁帶。態(tài)密度曲線中，虛線為費米能級。能看出NaCl的禁帶寬度很大。能帶的分析與上AsAl相同可以參考以上的分析，此處不再贅述了。介電函數(shù)與頻率的關(guān)系曲線如下圖所示：能量變化、最大位移量、最大內(nèi)力、最大應(yīng)力的收斂變化規(guī)律如下圖所示：從上圖的吸收度和頻率關(guān)系可以看出，先迅速增長再逐步下降，主要形成兩個峰值，再吸收度較低是形成兩個相對較小的峰值。6、 實驗總結(jié) 此次實驗是第一次接觸Material Studio(MS)軟件，初步學(xué)習(xí)和掌握了MS軟件的各個模塊的功能，并利用MS對構(gòu)造的晶體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計算和分析。當(dāng)然，這一堂課只是一個初步的了解和學(xué)習(xí)，還要繼續(xù)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)其余更為有用的功能