MS实验指导书(哈工大).doc

材料计算设计基础实 验 指 导 书朱景川 编哈尔滨工业大学2005年2月第 7 页 共 7 页实验一、第一性原理计算1. 实验目的(1) 掌握第一性原理和密度泛涵的计算方法；(2) 学会使用Visualizer 的各种建模和可视化工具；(3) 熟悉CASTEP模块的功能。2. 实验原理CASTEP是基于密度泛涵理论平面波赝势基础上的量子力学计算。密度泛涵理论的基本思想是原子、分子和固体的基本物理性质可以用粒子密度函数进行描述。可以归纳为两个基本定理：定理1：粒子数密度函数是一个决定系统基态物理性质的基本参量。定理2：在粒子数不变的条件下能量对密度函数变分得到系统基态的能量。不计自旋的全同费米子的哈密顿量为：其中动能项为：库仑作用项为：V为对所有粒子均相同的局域势u(r)表示的外场影响：粒子数密度函数为：对于给定的，能量泛函定义为：；系统基态的能量：3. 实验内容实验 1. 材料的电子结构计算； 实验2. 晶体材料的晶格点阵参数预报（要求材料体系为金属合金、化合物半导体或有机 高分子材料）；实验 3. 材料的弹性模量计算。 * 在三个实验内容中可以任选一个内容进行计算，有能力的同学也可以全做。4. 实验设备和仪器(1) 硬件：多台PC机和一台高性能计算服务器。(2) 软件：主要利用Materials studio软件包里的Materials Visualizer和CASTEP模块。5. 实验步骤5.1建立所研究材料的结构模型按照所研究材料的晶胞参数建立晶体结构。方法是可以自己建立模型，也可以在软件自带的结构库中直接读入结构文件。如：在菜单栏中选择File | Import，进入structures/ nanotubes文件夹，选择6-6.msi文件。按照计算需要对晶胞内的原子进行替换，并用Build | Symmetry | Primitive Cell将模型设置为原胞形式。5.2 设置并运行量子力学计算在工具栏中选择CASTEP模块。其对话框如下图。步骤1：几何优化选择Setup项，将Task项设置为 Geometry Optimization，标准设为 Fine,点击此对话框中的 More按钮，在Optimize Cell项前打钩，关闭对话框。 选择 Job Control按钮，点击此对话框中的 More按钮，设置Gateway，选择在本机计算还是在服务器上计算。选择 Properties 按钮实验1. 在Density of states和选项前打钩。 实验2.在Band structure选项前打钩。实验3.不选择任何项。按下Run按钮，开始运行计算。关闭对话框。步骤2：判断计算结果是否正确在 Project Explorer工作栏内,双击.castep文件，将其激活。 在菜单栏中选择Edit | Find 键入 completed successfully查找到此文字，找到后向上几行，有一个两行的表格，如果两行显示都为“yes”，说明计算正常结束。否则要继续进行运算。步骤3：计算弹性常数实验3.在CASTEP对话框中选择 Setup 项，在Task 的下拉单中选择 Elastic Constants，点击对话框中的 More按钮，设置每次拉伸的步数， 按下Run 按钮。 5.3计算结果分析在计算结果文件夹中激活.xsd文件。在工具栏中选择 CASTEP工具，然后选择Analysis，选择Electron density项，按下Import按钮，电子的等值面就显示在结构中。 实验1. 打开CASTEP的Analysis对话框，选择density of states项，按下View按钮；实验2. 打开CASTEP的Analysis对话框，选择Band structure项，按下View按钮；实验3. 打开CASTEP的Analysis对话框，选择Elastic Constants项，将CASTEP Cij文件夹中的.xsd文件激活，按下Calculate按钮。6 对实验报告的要求(1) 阐述本实验的目的、意义及计算所涉及的基本原理；(2) 说明本实验用硬件和软件（包括所使用的模块）；(3) 给出所计算材料的晶格参数和能量，并计算其和实验值的误差；(4) 分析、讨论实验结果实验1. 画出所计算材料电子的密度图和态密度图； 实验2. 给出所计算材料的晶格参数，并画出所计算材料的能带图；实验3. 分析所计算材料的弹性模量Cij 和Sij (1/GPa)、宏观弹性模量、体弹性模量、杨氏模量及泊松比；实验二、基于分子力场的分子力学和分子动力学计算1. 实验目的: （1） 掌握分子力学和分子动力学的模拟方法；（2） 学会使用Visualizer 的各种建模和可视化工具；（3） 熟悉Forcite模块的功能。2. 实验原理：H (R,r) = E (R,r) . Schrdinger方程 基于“Born-Oppenheimer”近似，可以将原子运动的Schrdinger方程，分别表示为电子和核运动的Schrdinger方程。直接求解核的运动方程，并将其中的能量以经验的力场函数表示，即为分子力学方法。如果将能量以力场形式表示，直接求解牛顿方程，就是分子动力学方法。He(r;R) = E(r;R) 电子运动的Schrdinger方程Hn (R) = E(R) 核运动的Schrdinger方程.牛顿方程3. 实验内容实验1. 材料表面上分子的绑定能计算；实验2. 固定和不固定表面原子条件下的被吸附分子的结构优化结果比较；实验3. 材料表面上分子的动力学计算。* 在三个实验内容中可以任选一个内容进行计算，有能力的同学也可以全做。4. 实验设备和仪器(1) 硬件：多台PC机和一台高性能计算服务器。(2) 软件：主要利用Materials studio软件包里的Visualizer和Forcite模块。 5实验方法和步骤5.1建立材料表面和分子的结构模型按照所研究表面材料的晶胞参数建立晶体结构。方法是可以自己建立模型，也可以在软件自带的结构库中直接读入结构文件。如：在菜单栏选择File | Import，进入structures/ metal-oxides文件夹，选择SiO2_quartz.msi文件。按照所需要的晶面对晶体进行切割。方法是在菜单栏中打开Build | Surfaces | Cleave Surface对话框，调整晶面指数和表面厚度。默认的表面为（-1 0 0），厚度为1.0，按下 Cleave 按钮。 将表面扩大为超晶胞结构。方法是在菜单栏中选择Build | Symmetry | SuperCell，调整U 和V的值，按下Create Supercell 按钮。建立二维的表面环境。方法是利用 Build Vacuum Slab工具建立三维的周期边界条件或利用Properties Explorer将其模型转化为 2D网格。将分子放到材料表面上。方法是在任务栏中点右键，新建一分子文件，并按分子的特点重新命名。然后在主菜单栏中选择Edit | Copy；在任务栏中双击表面分子文件，在主菜单栏选择Edit | Paste。5.2运行分子力学和分子动力学运算在工具栏中选择Forcite模块，其对话框如下图。在Energy对话框中选择相应的力场，如Dreading, Compass和Universal等步骤1：利用分子力学进行分子几何优化。在Setup对话框中，将Task项设置为 Geometry Optimization，标准设为 Fine。在Task后的More按钮中，可以设置Max iterations步和能量最小化的算法。默认算法为 Smart。按下Run按钮，开始运行计算。步骤2：针对不同要求的进行各种模拟计算实验1. 将Forcite模块的Task项设置为Energy, 标准设为 Fine，按下Run按钮，计算总能量（E总）。再分别计算表面原子和分子的能量（E表面和E分子）。 实验2.在表面分子的初始模型中，选中所有的表面材料原子，在菜单栏中选择Modify | Constraints，固定原子位置，进行步骤1的几何优化。实验3.将Forcite模块的Task项设置为Dynamics, 标准设为 Fine。在Task后的More按钮中，设置系综、时间步、温度和模拟时间等。5 对实验报告的要求(1) 阐述本实验的目的、意义及计算所涉及的基本原理；(2) 说明本实验用硬件和软件（包括所