理论计算ppt课件

理论计算 高等无机 化学11-1 马雪佳 几个重要概念 MS（Materials Studio）软件介绍 MS软件的运用 1 2 3 一、几个重要概念 1、理论计算:应用现有的定律、定理及规律对问题进行分析推理，找 出符合其尊循的规律公式（推导出来的公式）进行计算，其整个过程 叫理论计算 2、理论化学：是运用纯理论计算而非实验方法研究化学反应的本质 问题，主要以理论物理为研究工具（如热力学、量子力学、统计力学 、量子电动力学、非平衡态热力学等），并且大多辅以计算机模拟。 3、计算化学（computational chemistry）:是理论化学的一个分支 。计算化学的主要目标是利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子 的性质（例如总能量，偶极矩，四极矩，振动频率，反应活性等）并 用以解释一些具体的化学问题。 计算化学这个名词有时也用来表示计算机科学与化学的交叉学科。 二、MS软件 （一）概况 Materials Studio是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。它可以帮助你解决当今化学、 材料工业中的一系列重要问题。支持Windows 98、2000 、NT、Unix以及Linux等多种操作平台的Materials Studio 使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模 型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关 过程进行深入的研究。 多种先进算法的综合应用使Materials Studio成为一个强有 力的模拟工具。无论构型优化、性质预测以及复杂的动力 学模拟和量子力学计算，我们都可以通过一些简单易学的 操作来得到切实可靠的数据 Materials Studio生成的结构、图表及视频片断 等数据可以及时地与其它PC软件共享，方便与 其他同事交流，并能使你的讲演和报告更加引 人入胜。 Materials Studio软件能使任何研究者达到与世 界一流研究部门相一致的材料模拟的能力。模 拟的内容包括了催化剂、聚合物、固体及表面 、晶体与衍射、化学反应等材料和化学研究领 域的主要课题。 6、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。 7、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。 （三）、应用领域 Mateirals Studio 是 Acce lrys 公司专为材料科学领域开发的 新一代材料计算软件。它能方便地建立 3D 分子模型，深入分 析有机晶体、无机晶体、无定形材料以及聚合物，可以在催化 剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性等材 料科学研究领域进行性质预测、聚合物建模 1、量子力学的密度泛函理论； 2、半经验的量化计算方法； 3、分子力学； 4、分子动力学； 5、介观模拟方法等. 模拟的方法 优点 2 3 1 更容易地创建研究分子模型或 材料结构 操作灵活方便，并且能够最大 限度地运用网络资源。 计算能带大小及分析能带组成 可以与其它标准PC软件共享 这些数据 （四）、Ms 软 件 的 优 点 三、运用 采用 Materials Studio4.0 软件对ZnO的能带及电子能态密度进行 了模拟计算 1 模拟计算步骤 1.1 建立晶体 需要计算ZnO晶体参数通过相关文献查阅得到，如表1所示。 表1 相关晶胞参数表 晶体 晶体种类 a b c ZnO 3D Hexagonal 3.24927 3.24927 5.20544 1.2 设置计算任务 由于建立的晶体需要进行结构优化，对于优化的方式选有 GGA/PBE；GGA/RPBE；GGA/PW91；LDA/CA-PZ以上四种， 优化完成后，进行能量以及电子密度的模拟计算，最后得到电子 能态密度和能带结构等数据和相关图表。这些数据可以表明晶体 电子结构的一个快速定性图象，这些结论可以直接和实验光谱结 果相关联。 2结果与讨论 2.1.1 能带结构 由图1可以看出：能带结构图和电子能态密度图是相对应的。能带结构图 中曲线越密集，则电子能态密度图中相应能量位置峰值越大，表明电子 越多。反之，曲线越稀疏，则峰值越小，电子越少。本图中，电子在- 4.75 -3.95 eV及-6.00 -4.95 eV范围密度最大。 图1 ZnO能带结构及电子能态密度 能带结构图和态密度图可以解决哪些问题 Sio2能带结构图 禁带宽度 5.976eV Sio2的电子态密度图 偏态密度图 硅的晶体结构和能带结构图 般常见晶体材料的结构，可以从自带的晶体结构 库中调出来，如半导体硅的晶体结构，还可以通过 模块计算该晶体的能带结构等性质 9 聚丙烯的结构图 聚合物如聚丙烯，