内容发布更新时间 : 2024/5/3 23:58:53星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

实验课程名称： 计算机在材料科学中的应用

实验项目名称 实验者 同组者 用Materials Studio计算简单材料的能带 张翅腾飞 专业班级 xs1101 实验成绩 组别 实验日期 2014年5月7日 第一部分：实验分析与设计（可加页） 一、实验内容描述（问题域描述） 用Materials Studio计算简单材料的能带（如C纳米管、PbTiO3等典型的钙钛矿结构） 二、实验基本原理与设计（包括实验方案设计，实验手段的确定，试验步骤等，用硬件逻辑或者算法描述） 一、能带结构 能带结构是目前采用第一性原理(从头算abinitio)计算所得到的常用信息，可用来 结合解释金属、半导体和绝缘体的区别。能带可分为价带、禁带和导带三部分，导带和价 带之间的空隙称为能隙 二、MM、MD基础理论 1、第一性原理 第一原理方法在理论上已经能解决所有问题但计算量太大，计算机资源有限，原子数 目较多时，如高分子、蛋白质、原子簇以及研究表面问题、功能材料或材料的力学性能等， 实际上难以完成计算为此， 发展了分子力学(Molecular Mechanics, MM)与分子动力学 (Molecular Dynamics, MD)方法它们的应用，又称分子模拟(molecularsimulation, molecular modeling) 或 分子设计(molecular design) MM与MD是经典力学方法，针对 的最小结构单元不再是电子而是原子因原子的质量比电子大很多，量子效应不明显，可近似用经典力学方法处理20 世纪 30 年代, Andrews 最早提出分子力学(MM)的基本思想； 40 年代以后得到发展, 并用于有机小分子研究。90年代以来得到迅猛发展和广展。 三、material studio 1、Materials Studio 软件 Material studio专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软 件。Materials Studio软件采用灵活的Client-Server结构。其核心模块Visualizer 运行于客户端PC，支持的操作系统包括Windows 98、2000、NT；计算模块（如Discover， Amorphous， Equilibria，DMol3，CASTEP等）运行于服务器端，支持的系统包括 Windows2000、NT、 SGIIRIX以及Red Hat Linux。浮动许可（Floating License） 机制允许用户将计算作业 提交到网络上的任何一台服务器上，并将结果返回到客户 端进行分析，从而最大限度地利 用了网络资源。 2、模块简介 Materials Studio采用了大家非常熟悉的Microsoft标准用户界面，允许用户通 过各种控制面板直接对计算参数和计算结果进行设置和分析。目前，Materials Studio 软件包括如下功能模块： Materials Visualizer: 提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模型所需要的所有工具，可以操作、观 察及分析结构模型，处理图表、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具以及支持Materials Studio的其他产品。是Materials Studio产品系列的核心模块。 Discover: Materials Studio的分子力学计算引擎。使用多种分子力学和动力学方法，以仔细推导的力场作为基础，可准确地计算出最低能量构型、分子体系的结构和动力学轨迹等。 COMPASS: 支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力场。是第一个由凝聚态性质以及孤立分子的各种从头算和经验数据等参数化并经验证的从头算力场。可以在很大的温度、压力范围内精确地预测孤立体系或凝聚态体系中各种分子的结构、构象、振动以及热物理性质。 Amorphous Cell: 允许对复杂的无定型系统建立有代表性的模型，并对主要性质进行预测。通过观察系统结构和性质之间的关系，可以对分子的一些重要性质有更深入的了解，从而设计出更好的新化合物和新配方。可以研究的性质有：内聚能密度（CED）、状态方程行为、链堆砌以及局部链运动等。 Reflex: 模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。可以帮助确定晶体的结构，解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。模拟的图谱可以直接与实验数据比较，并能根据结构的改变进行即时的更新。包括粉末衍射指标化及结构精修等工具。 Reflex Plus: 是对Reflex的完善和补充，在Reflex标准功能基础上加入了已被广泛验证的Powder Solve技术。Reflex Plus提供了一套可以从高质量的粉末衍射数据确定晶体结构的完整工具。 Equilibria: 可计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的相图，溶解度作为温度、压力和浓度的函数也可同时得到，还可计算单组分体系的virial系数。适用领域包括石油及天然气加工过程（如凝析气在高压下的性质）、石油炼制（重烃相在高压下的性质）、气体处理、聚烯烃反应器（产物控制）、橡胶（作为温度和浓度的函数的不同溶剂的溶解度）。 DMol3: 独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，是唯一的可以模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、分子反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热、混合热等性质。 CASTEP: 先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种材料，可研究：晶体材料的性质（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度）、晶体的光学性质、点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩展 缺陷（晶粒间界、位错）、体系的三维电荷密度及波函数等。 部分：实验调试与结果分析（可加页） 三、调试过程（包括调试方法描述、实验数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）