計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)四利用 Material Studio分析研究晶體材料性能一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解Material Studio(MS)軟件中有關(guān)固體材料科學(xué)設(shè)計(jì)各個(gè)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(jì)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(shí)驗(yàn)原理及方法 Materials Studio 是世界上著名的計(jì)算材料軟件，其擁有十分強(qiáng)大的材料計(jì)算和設(shè)計(jì)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(shí)，每種晶體都有其特有的晶體結(jié)構(gòu)排布，每個(gè)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(duì)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(jì)的一個(gè)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(jì)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(duì)話框中的CASTAP選項(xiàng)允許準(zhǔn)備，啟動(dòng)，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(dòng)力學(xué)任務(wù)、性質(zhì)任務(wù)。三、實(shí)驗(yàn)儀器 Materials Studio 軟件、計(jì)算機(jī)。四、實(shí)驗(yàn)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(jì)算（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化：modules -CASTEP calculation-setup -task -geometry optimization，計(jì)算精度根據(jù)計(jì)算的時(shí)間要求及單

4、胞中的原子個(gè)數(shù)，一般選為fine；函數(shù)選默認(rèn)的GGA-PBE 方法。（2）性質(zhì)計(jì)算：在setup 的同級(jí)對(duì)話框中選擇properties，CASTEP 可完成的性質(zhì)計(jì)算及計(jì)算過程中的計(jì)算精度控制等都可以在本對(duì)話框中進(jìn)行選擇。然后點(diǎn)擊run，開始進(jìn)行計(jì)算。3.晶體模型分析根據(jù)Modules-CASTEP -analysis 工具，可以分析出已計(jì)算的晶體性質(zhì)。五、實(shí)驗(yàn)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(duì)AlAs晶體計(jì)算。 計(jì)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(jià)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(fèi)米能級(jí)。 能帶圖顯示的是在布里淵區(qū)中K矢量沿著高對(duì)稱性方向上的電子能量依賴度。一個(gè)原子的一個(gè)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(qiáng)度，強(qiáng)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(gè)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(duì)NaCl晶體計(jì)算。 計(jì)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(jià)帶，中間空白區(qū)是禁帶。態(tài)密度曲線中，虛線為費(fèi)米能級(jí)。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(gè)峰值，再吸收度較低是形成兩個(gè)相對(duì)較小的峰值。6、 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 此次實(shí)驗(yàn)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(gè)模塊的功能，并利用MS對(duì)構(gòu)造的晶體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算和分析。當(dāng)然，這一堂課只是一個(gè)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