计算机辅助材料设计-简介

计算机辅助的材料设计—基于第一性原理的密度泛函理论姓名：专业：材料学学号:

材料计算与设计

第一性原理介绍

实例应用分析Contents

材料计算与设计是指以计算机为手段，通过理论与计算对材料的固有性质、结构与组分、适用性能以及合成与加工进行综合研究的一门新学科方向目的：在于使人们能主动地对材料进行结构与功能的优化与控制，以便按需制作新材料基础理论计算方法计算机软硬件平台生产实践实验验证结构物性计算物性数据库(MaterialsComputationanddesign)

将模拟得到的理论物理量与实验结果进行验证用于分析和解释实验或理论尚不清楚的现象的原因或机理实验前，预测材料的新物性；预测难以实现的条件下材料的物性建立模型，分析并建立新的概念和理论体系材料计算学的应用：第一性原理介绍将多原子构成的体系理解为由电子和原子核组成的多粒子体系，并将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。在正确描述电子状态和作用于各原子间的力的基础上进行分子动力学模拟的方法计算过程：以多种时间间隔正确地求出体系的电子状态，并通过更换原子位置计算作用在每个原子核上的力，根据作用在原子子实上的力来调整原子的位置，重复迭代，直至原子实上的力为零，得到稳定的结构。量子力学中薛定谔方程的求解：波函数是非常复杂的量，并且不能通过实验探知在求解多电子体系的薛定谔方程的过程中，遇到的最大困难就是求解电子间重叠积分，即考察单个电子与其它电子间的相互作用任意电子系统的基态电子密度n(r)的分布唯一地决定电子系统密度泛函理论(DensityFunctionalTheory)Hohenberg-Kohn定理Kohn-Sham方程计算软件能做什么？执行多种不同精度和理论的分子轨道计算，包括从头计算、MC法、密度泛函法、多种半经验量子化学方法。分子的能量与几何结构、化学反应过渡态的能量与几何结构、分子的热化学性质、键能与化学反应能、分子轨道、原子电荷分布、电子亲和能与电离势、轨迹计算和反应途径优化。实例分析StructureandenergeticsofstoichiometricTiO2anatasesurfaces锐钛矿TiO2表面的结构和能量的化学计算对于氢化锐钛矿TiO2而言，{101}晶面族是最稳定的，占据所有晶面的94%以上。而体现二氧化钛纳米晶的优异性能，是最具有活性的{001}晶面族。在二氧化钛晶体表面，利用其他非金属元素H、B、C、N、F、Si、P、Cl、Br分别与Ti配位，研究其降低晶体(001)和(101)表面能的能力通过计算机软件进行第一性原理量子化学计算发现，F元素能有效降低二氧化钛（001）和（101）的表面能，这将有利于大的单晶面的形成，有利于活性晶面的存在。构建模型a和b分别代表干净的（001）和（101）面模拟X原子吸附模型c和d分别代表吸附有X原子的（001）和（101）面e是吸附有X原子的（001）和（101）面的表面能计算值，f是吸附有X原子的（001）占全部晶面的比例根据计算机软件模拟结果，采用TiF4作为原料，以HF为形状控制剂，采用水热法制备了二氧化钛的纳米晶材料，图2所示为不同反应条件下获得样品的扫描电镜图像。图2两种反应条件下获取的样品扫描