计算机在材料科学中的应用

1、材料与化工学院计算机在材料科学中的应用课程论文论文题目: Materials Studio软件介绍 姓 名: 专业班级: 学 号: 授课教师: 完成时间: 2015年6月7日 Materials Studio软件介绍【摘要】Materials Studio软件是Accelrys公司推出了当今世界最为先进的计算方法和模拟工具的一个软件。一方面利用该软件的强大功能，人们可以进行分子模拟和材料设计，可以对材料、化学等领域的一些重大问题进行深入的探索和提供理论支持，为推动材料学的进步做出一定的贡献。另一方面，利用该软件进行模拟计算可以消除外界环境以及人为因素的影响，从而获得真实、可靠的数据，为设计新材

2、料和确定实验研究方向提供指导。Materials Studio计算软件包，简称为MS软件，是一个多功能的计算模块软件。【关键词】：Materials Studio 材料计算 CASTEP模块一、模块介绍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

3、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

4、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。Refle

5、x 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、

6、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。二、CASTEP模块CASTEP，是MS中一个计算模块，其全称为Cambridge Sequential Total Energy Package。CASTEP是以基于第一性原理的密度泛函理论为基础，CASTEP(Camb

7、ridge Sequential Total Energy Package)是一个基于密度泛函方法的从头算量子力学程序。总能量包含动能、静电能和交换关联能三部分，各部分能量都可以表示成密度的函数。电子与电子相互作用的交换和相关效应采用局域密度近似（LDA）和广义密度近似（GGA），静电势只考虑作用在系统价电子的有效势（即赝势：Ultrasoft 或norm-conserving），电子波函数用平面波基组扩展（基组数由Ecut-off确定），电子状态方程采用数值求解（积分点数由FFT mesh确定），电子气的密度由分子轨道波函数构造，分子轨道波函数采用原子轨道的线性组合(LCAO)构成。计算总能

8、量采用SCF迭代。根据系统中原子的类型和数目，预测晶格常数、几何结构驰豫、弹性常数、体模量、热焓、能带、态密度、电荷密度以及光学性质在内的各种性质。但不足在于准许数十个原子的系统进行计算。提供给材料设计者和材料计算者使用的力学程序，其操作方法简单，画面生动形象。在用MS建模时，有两种方法：一种方法是可以直接从MS软件的模型数据库中找到自己所要研究对象的基本模型，导入程序中，按照对话框所提供的指示进行操作，通过计算机的一系列计算，最终得到自己想要的结果。另一种是可以手动建模，研究者只需提供所研究对象的基本常数，按照自己的需要，建立模型。简单方便，容易操作，是CASTEP的一大特点。但是随着研究的

9、多样性，人们也发现了CASTEP的一些缺点，其中最大的缺点是只能利用CASTEP 模块计算周期性结构的体系，这就大大的限制了它的使用范围。CASTEP计算的对象是有周期性重复的单位，即我们通常所说的“晶胞”，对所要研究的体系，使用者只需要输入研究体系的初始几何数据和组成研究体系的原子数目就可以进行模拟计算，获得所需的数据。在这里，赝势替换了离子势，电子波数利用平面波基组扩展，密度泛函理论实现了电子与电子间相互作用。综合的应用赝势和平面波基组，使之发挥各自的优势，对研究体系中所有原子上的作用力的模拟计算变得很容易。3、 第一性原理与密度泛函理论（一）第一性原理,第一性原理作为理想的研究方法，其基

10、本思想是：将多原子构成的体系理解为电子和原子核组成的多粒子系统，并根据量子力学的基本原理最大限度地对问题进行“非经验性”处理。做为初步近似，需要引进以下三个假设把问题简化。（1） 非相对论近似 即求解非相对论的定态薛定谔方程而不是相对论的狄拉克方程。 （2）波恩奥本海默近似 即假定电子和核的运动是相对独立的。 由于核的质量比电子质量大几千倍到一万倍以上，核的运动速度比电子慢得多，因而在考察电子运动时，在瞬时可以认为核是静止不动的，即所谓固定核近似。 这样就可以把体系的薛定谔方程分解为描述核运动状态的方程和描述电子运动状态的方程。在电子薛定谔方程中，核的空间配置建立起约束电子运动的一种势场； 而

11、在核薛定谔方程中处于不同状态的电子的总能是核坐标的函数，表现为约束核运动的一种势场。（3）单粒子近似或轨道近似 即把体系中电子的运动看成是每个电子在其余电子的平均势场作用下运动，从而把多电子的薛定谔方程简化为形式上的单电子方程 单电子方程的解即为单电子状态波函数，可通常称为分子轨道（第一组基矢）。（二）密度泛函理论密度泛函理论的优势在于把电子视为密度分布，使其做试探函数，这样就可以用电子密度的方式来表达总能量。同时，从电子分布的规律来看，其也可以视为密度函数。从而实现将基态物理性质转化为电子密度函数的形式，使其函数化。在1927年，Thomas和Fermi就对密度泛函理论有所研究，其理论的基础

12、是依据Kohn和Hohenberg提出的关于非均匀电子气的理论（Hohenberg P et al.，1964）。可将密度泛函理论归结为下面这两个基本定理：定理 1 不计自旋的全同费米子系统的基态能量是粒子数密度函数的唯一泛函；定理 2 能量泛函在粒子数不变条件下对正确的粒子数密度函数取极小值，并等于基态能量。这两个定理被称为Hohenberg-Kohn定理，由Hohenberg-Kohn定理可知：确定系统基态的方法就是能量泛函对粒子数密度的变分。 根据Hohenberg-Kohn 定理的思路，如果获得能量泛函，将其对电子数密度变分，那么就可以确定系统的基态和所有的基态物理性质了。由此会问，如

13、何才能获得能量泛函，首先这就要求解决相关的三个方面的问题，这三个问题是：(1) 确定电子数密度；(2) 确定动能泛函；(3) 确定交换关联相互作用能泛函。其中前两个问题的解决方法已经被Kohn 和Sham给出了（Kohn W et al.，1965），即Kohn-Sham 方程。第三个问题则需要采用广义梯度近似或局域密度近似来解决。四、实例介绍-CO 分子在 Pd(110)表面的吸附 1.构建计算模型右击根目录选择New|Folder。重复这个操作四次。右击新文件夹，将其命名为Pdbulk。对其他文件夹重复这个操作，并将它们分别命名为Pd(110),COmolecule,(1x1)COonPd

14、(110)和(2x1)COonPd(110).。2.优化bulkPdPd的晶体结构包含在MS的晶体库中。在ProjectExplorer内，右击Pdbulk文件夹，选择Import.，浏览Structures/metals/pure-metals，找到并引入Pd.msi。Pd的三维结构就显示出来。可以把它的显示模式改为球棍模式。右击Pd3DModel文件，选择DisplayStyle，在Atom标签栏里，选择selectBallandstick，关闭次对话框。现在需要运用CASTEP对Pd结构及进行几何优化。从工具条中选择CASTEP工具，然后选择Calculation。把Task中的Ener

15、gy改为GeometryOptimization，按下More按钮，在CASTEPGeometryOptimization对话框里，勾选上OptimizeCell。按下Run按钮。一条关于转换到元胞的消息框弹了出来，点击Yes。工作被提交并开始运行。现在可以进行下一步的计算任务，构建CO分子。在该计算任务结束的时候返回查看晶格参数。当工作结束的时候，必须把原始晶胞计算结果转换回传统晶胞的表达形式，以便在Step4的时候构建Pd(110)表面。在ProjectExplorer内，打开位于PdCASTEPGeomOpt文件夹内的Pd.xsd文件。选择菜单栏里的Build|Symmetry|Conv

16、entionalCell。现在保存工作文件。选择File|SaveProject，然后是thenWindow|CloseAll。在ProjectExplorer内，打开位于PdCASTEPGeomOpt文件夹内的Pd.xsd文件。这就是Pd的优化后的结构。3.构建并优化COCASTEP的计算对象只能使周期性结构，因此，为了优化CO分子，需要把它放在晶格中。在ProjectExplorer内，右击CO分子文件夹选择New|3DAtomisticDocument。右击3D Atomistic.xsd，将此文件命名为CO.xsd，回车。一个空的3D模型文件显示出来。使用BuildCrystal工具创

17、建一个空的晶胞，然后把CO分子放进去。从菜单栏里选择Build|Crystals|BuildCrystal。选择LatticeParameters标签，把每一晶胞的长度值a、b和c都改为8.00，按下Build按钮。一个空的晶胞显示在3D文件中。选择菜单栏里的Build|AddAtoms。CO分子的C-O键长实验测量值为1.1283，使用笛卡儿坐标，可以很精确地按照这个长度值添加原子。在AddAtoms对话框里，选择Options标签。确认坐标系统被设为Cartesian。选择Atoms标签，按下Add按钮。一个碳原子被添加到晶胞的原点。在AddAtoms对话框上，把Element改为O。x和

18、y的值依旧为0.000，把z值改为1.1283。按下Add按钮。关闭此对话框。现在需要优化CO分子。从工具条中选择CASTEP工具，然后选择Calculation。在前一个计算任务中的设置保持不变，然而，这次不必优化晶胞。在Setup标签上，按下More.按钮，取消选择OptimizeCell，关闭此对话框。选择Electronic标签，把k-point设置由Medium改为Gamma。选择Properties标签，选上Densityofstates。把k-point设为Gamma，勾选上CalculatePDOS。按下Run按钮。4.构建Pd(110)表面本部分需要使用来自Pdbulk部分的

19、优化后的Pd结构。选择File|SaveProject，然后是Window|CloseAll。打开Pdbulk/PdCASTEPGeomOpt文件夹里的Pd.xsd。创建一个表面是一个两步过程。首先是要切出一个表面，其次就是创建一个包含了表面的真空层。从菜单栏里选择Build|Surfaces|CleaveSurface。把Cleaveplane(hkl)从-100改为110，按下TAB键。把FractionalDepth提高至1.5。按下Cleave按钮，关闭此对话框。一个新的3D模型文件打开了，它包含了一个二维周期性表面。然而，CASTEP需要的是一个3D周期性系统当作输入文件。这可以通过

20、使用VacuumSlab工具得到。选择Build|Crystals|VacuumSlab。把Vacuumthickness的值从10.00改为8.00，按下Build按钮。结构由2D变为3D，并且一个真空层被加到原子的上方。右击3D模型，选择LatticeParameters，选择Advanced标签，按下Reorienttostandard按钮，关闭此对话框。改变晶格显示方式，转动结构使得z-轴与显示屏垂直。右击3D文件，选择DisplayStyle。选择Lattice标签。在Displaystyle部分，把Style由Default改为Original。关闭对话框，按下向上的箭头两次。3D

21、模型文件就如下所示：Z坐标有最大值的的Pd原子被称为Pd最上层。在本指南的后面，需要知道Pd的层间距do。这个可以通过原子坐标计算得到。选择View|Explorers|PropertiesExplorer。选择分数坐标为x=0.5和y=0.5的Pd原子。Z值为1.386，这是层间距。这个z值是笛卡尔坐标系统的值，而不是分数坐标值。在弛豫表面之前，必须把Pa内部的原子固定住，因为现在只需要弛豫Pa的表面。按下SHIFT键，选中除了最上层的Pa原子之外的所有Pa原子。选择菜单条中的Modify|Constraints。勾选上Fixfractionalposition，关闭此对话框。Pd体内的原子

22、被固定住，可以通过改变显示颜色查看被限制了的Pd原子。选择工具条中的File|SaveAs.。浏览到Pd(110)文件架，按下Save按钮。对(1x1)COonPd(110)文件夹重复此操作，但是需要把文件名改为(1x1)COonPd(110)。选择File|Save Project，然后thenWindow|CloseAll。5.弛豫Pd(110)面现在准备优化Pd(110)面。打开ProjectExplorer中Pd(110)文件夹内的Pd(110).xsd。选择CASTEP工具，然后选择其中的Calculation。按下More按钮，确认取消选择OptimizeCell。关闭此对话框。为

23、了保持即将进行的计算的一致性，需要在Electronic标签栏里做一些改动。选择Electronic标签栏，按下More按钮。选择CASTEPElectronicOptions对话框里的Basis标签，勾选上Usecustomenergycutoff，把它的值改为300.0。选择k-points标签栏，勾选上Customgridparameters。在网格参数栏里，把a的值设为3，b的值设为4，c的值设为1。关闭此对话框。还需要计算体系的态密度。选择CASTEPCalculation对话框中的Properties标签，勾选上Densityofstates。勾选上CalculatePDOS，把k

24、-point设置改为Medium.现在开始计算了。Youarereadytorunthecalculation.按下Run按钮，关闭此对话框。选择SaveProject，然后Window|CloseAll。6.把CO分子添加到1x1Pd(110)表面并优化此结构现在的工作对象是(1x1)CoonPd(110)文件夹内的结构。在ProjectExplorer内，打开(1x1)COonPd(110)文件夹内的(1x1)COonPd(110).xsd文件。现在把CO分子添加到短桥键位置的上方，现在需要根据实验事实来确定键的长度。第一步是添加碳原子。Pd-C键长(用dPd-C表示)为1.93。当使用添

25、加原子工具时，可以用笛卡尔坐标，也可以用分数坐标，但是本例中，需要使用分数坐标，xC,yC,和zC。xC和yC的值分别为0.5和0。对zC来说要复杂一些，可以从zPd-C和zPd-Pd这两个距离计算得到。它的值大约是4.12，需要使用Latticeparameters把这个距离转换成分数长度。右击3D模型文件，选择LatticeParameters。注意c的值。为计算z的分数坐标值，用晶格参数c除zC就可以得到，这个值大约是0.382。选择菜单栏里的Build|AddAtoms，选择Option标签。确认坐标系统是Fractional。选择Atoms标签，把Element改为C。把a的值改为0

26、.0，b的值改为0.5，c的值改为0.382。按下Add按钮。如果像确认所建立的模型正确与否，可以使用Measure/Change工具。点击与Measure/Change工具相关联的选项箭头，选择Distance。点击Pd-C键。下一步是添加O原子。在AddAtoms对话框上，把Element改为O。C-O键的实验值是1.15。在分数坐标系统内，这个值是0.107，把这个值与C的分数z坐标值相加，就得到O的分数z坐标值0.489。把c的值改为0.489，按下Add按钮，关闭此对话框。Pd的起始对称性是P1，但是随着CO分子的引入发生了改变。可以通过运用FindSymmetry工具找到并加上对称

27、性。选择工具条上的FindSymmetry工具，按下FindSymmetry按钮，然后按下ImposeSymmetry按钮。现在的对称性是PMM2。右击3D模型文件，选择DisplayStyle。选择Lattice标签，把Style改为Default。在进行结构几何优化之前，需要保存工作文件。选择File|SaveAs.。浏览到(2x1)COonPd(110)文件，把文件保存为(2x1)COon Pd(110).xsd。现在开始优化结构。选择File|SaveProject，然后Window|CloseAll。在ProjectExplorer内，打开(1x1)COonPd(110)文件夹内的(

28、1x1)COonPd(110).xsd。选择CASTEP工具中的Calculation。之前部分计算的参数设置这里保留不变。按下Run按钮。计算过程中，可以继续构建最后的结构。7.建立和优化2x1Pd(110)面第一步是在(2x1)COonPd(110)文件夹内打开一个3DAtomistic文件。在ProjectExplorer内，打开(2x1)COonPd(110)文件夹内的(2x1)COonPd(110).xsd文件。现在的是一个1x1的晶胞，所以需要用Supercell工具把它改成2x1晶胞。选择Build|Symmetry|Supercell，把b的值提高到2，按下CreateSupe

29、rcell按钮。关闭此对话框。现在把CO分子相互翘起。为简单操作故，把在y=0.5位置的CO分子记为A，y=0.0的CO分子记为B。选择B分子中的碳原子。在PropertiesExplorer中，打开XYZproperty，把X的值减去0.6；对B分子中的O原子重复此操作，不同的是把它的X值减去1.2。对分子A重复上述操作。选择A分子中的碳原子。在PropertiesExplorer中，打开XYZproperty，把X的值减去0.6；对A分子中的O原子重复此操作，不同的是把它的X值减去1.2。沿着z轴向下看的分子结构图象如下所示：但是，现在Pd-C和C-O键长值已经偏离了它们原来的值。选择A分

30、子中的碳原子，使用PropertiesExplorer，把FractionalXYZproperty中的Z值改为0.369。对B分子重复此操作。Pd-C的键长得到了修正。也可以通过Measure/Change工具来修正C-O键长。点击与Measure/Change工具相关联的选项箭头，选择Distance。点击A分子的C-O键。在PropertiesExplorer内，把Filter改为Distance。把Distanceproperty改为1.15。对B分子重复此操作。现在需要对系统的对称性重新计算。选择工具条中的FindSymmetry工具，按下FindSymmetry按钮，然后按下ImposeSymmetry按钮。现在对称性是PMA2。在元胞内的CO分子数目由3个变为2个。现在可以对系统进行优化了。选择CASTEP工具条，然后选择其上的Calculation。对本计算而言，需要改变k-points格子参数设置，以便与之前计算得到的能量向对比。选择CASTEPCalculation对话框上的Electronic标签，按下More按钮，选择k-points标签，改变Customgrid参数，把a的值改为2，b的值改为3，c的值改为1。关闭此对话框，按下Run按钮。计算开始。当计算结束的时候，需要得到系统的总能量，这在下一部分的内容可以得到。接下来考察态密度的变化，对