计算机材料应用

1、重点内容复习和考试范围 无机非金属， 陈宁， 前面 材料研究的目的和任务：材料研究的最终 目的为了实现材料的应用，核心任务是寻核心任务是寻 找材料结构和性能的关系找材料结构和性能的关系； 材料的研究方法：合成，结构，性能合成，结构，性能三大 部分，理论和实验两种类型； 实际上，研究方法大多数相当于一种实用 的研究工具，在一定程度上决定了研究结 果，主要还是依赖研究者本身的综合能力 和经验； 主要内容 本课程学习的内容主要是以理论方法的操作为主， 涉及所有合成、结构和性能三大部分； 主要包括八个操作模块： 晶体模型搭建（结构）； RXD谱的精修（结构）； 电子结构基础（结构）； 能带计算和分析（

2、电学性能）； 杨氏模量计算和分析（力学性能）； 声子谱计算和分析（热学性能）； 振动频率计算和分析（光学性能）； 热力学计算和分析（合成、锂离子脱嵌或氧空位迁 移）； 每一项目都具有以下基本内容 计算的目的； 涉及的一些基本规律； 基本的计算操作过程； 结果输出； 结果的分析； 简单的实际例子； 晶体模型的建立（课堂操作1） 方法一：直接调用； 方法二；利用空间群、晶格参数和原子类 别的吴可夫坐标等； 方法三：数据库（FindIt数据库）； 演变成更复杂的结构：超晶格、缺陷、 非周期性纳米团簇、表面等等； 方法二利用空间群和异类原子坐标 LaNi5为CaCu5型立方结构，空间群为D6hP6/m

3、mm。 其晶体 结构见图。每个单胞中含有两种不同的原子：La和Ni，共6个原 子，一个La原子占据1a位置，原子坐标为（0,0,0）；Ni占据两种 不同的原子位置：两个Ni原子占据2c位置，（1/3，2/3，0）；三 个Ni原子占据3g位置，（1/2，0，1/2）。点阵常数a=5.017， c=3.981。 方法二利用空间群和异类原子坐标 FindIt数据库 如何建立其他结构 纳米结构； 掺杂结构； 缺陷结构； 表面和界面； MS Reflex模块(实际操作2) 主要步骤总结 原始数据的输入和处理：数据导入和数据曲线背景等处理；原始数据的输入和处理：数据导入和数据曲线背景等处理； 模型对模型对

4、谱步骤（确定晶体模型）；谱步骤（确定晶体模型）； 基本设置和步骤；基本设置和步骤； 单一相精修（晶格，峰型，占位率，样品尺寸）单一相精修（晶格，峰型，占位率，样品尺寸）； 主要分析内容：主要分析内容： (一一)结构参数：晶胞参数、原子坐标、占有率、样品形态，温度因结构参数：晶胞参数、原子坐标、占有率、样品形态，温度因 子等；子等； (二二)峰形参数：峰形、半宽度、不对称、择优取向、本底等；峰形参数：峰形、半宽度、不对称、择优取向、本底等； 多相多相QPA不要求；不要求； 电子结构和电学性能 （课堂操作3和课堂操作4） 电学性能是很重要的性质之一； 电学性能分很多方面，电子导电是其中重 要的方面

5、； DOS分析输出 0 1 2 3 4 5 6 -20-100102030405060 Density of States(electrons/eV) Energy (eV) CASTEP Partial Density of States s p d 能带输出 NiO的两种模型（AFM，FM） -20 -10 0 10 20 FGZ Energy (eV) CASTEP Band Structure Band gap is 1.161 eV alphabeta -20 -10 0 10 20 01234567891011121314 Energy (eV) Density of States

6、(electrons/eV) CASTEP Partial Density of States s p d 2*Integrated Spin Density = -0.172927E-05 2*Integrated |Spin Density| = 2.77037 Final energy, E = -3577.889378747 eV Current total energy, E = -3577.588616400 eV 主要问题分析 绝缘体可以通过能隙分析； 也可以通过费米面的轨道来分析导电性； DOS分析电子导电； U势可以用来调整能隙； 力学性能（课堂操作5） 晶体结构稳定性； 弹

7、性常数作为晶体的各向性能参数； 结合键的差异； 力学性能的基础参数； 计算弹性常数 计算结果输出 分析和总结 虽然计算得到的是弹性常数，但理论研究 实际上是计算得到相关的原子之间的相互 作用信息； 研究什么具体问题要根据自己课题； Bulk modulus = 408.03847 +/- 2.125 (GPa) Compressibility = 0.00245 (1/GPa) = Elastic constants for polycrystalline material (GPa) = Voigt Reuss Hill Bulk modulus : 408.03847 408.03847

8、408.03847 Shear modulus (Lame Mu) : 521.77699 517.01202 519.39450 Lame lambda : 60.18714 63.36379 61.77546 声子计算（课堂操作6） -10 0 10 20 XRMGR Frequency (THz) CASTEP Phonon Dispersion -10 0 10 20 0.00.10.20.30.40.5 Frequency (THz) Density of Phonon States (1/THz) CASTEP Density of Phonon States -2 -1 0 1

9、2 3 4 5 6 7 8 WLGXWK Frequency (THz) CASTEP Phonon Dispersion -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.00.10.20.30.40.50.60.7 Frequency (THz) Density of Phonon States (1/THz) CASTEP Density of Phonon States BaO与BaTiO3声子散射谱比较 Ba与Nb的声子谱比较进行研究 金属晶体Ba不同截至半径计算结果 -2 -1 0 1 2 GHNPGN Frequency (THz) CASTEP Phonon Dispersi

10、on -2 -1 0 1 2 01234 Frequency (THz) Density of Phonon States (1/THz) CASTEP Density of Phonon States -2 -1 0 1 2 3 4 5 GHNPGN Frequency (THz) CASTEP Phonon Dispersion -2 -1 0 1 2 3 4 5 0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.3 Frequency (THz) Density of Phonon States (1/THz) CASTEP Density of Phon

11、on States -2 -1 0 1 2 3 4 5 GHNPGN Frequency (THz) CASTEP Phonon Dispersion -2 -1 0 1 2 3 4 5 0.00.10.20.30.40.50.60.70.8 Frequency (THz) Density of Phonon States (1/THz) CASTEP Density of Phonon States Finite Displacement 方法中 截至半径对结果影响较大 不同参数对Ba与Ba声子散射谱影响 Ba与BaO自由能随温度变化比较 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0

12、.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 01002003004005006007008009001000 Energy (eV) Temperature (K) CASTEP Thermodynamic Properties Zero point energy=0.00991083113 eV EnthalpyFree EnergyT*Entropy -1 0 1 2 3 4 5 6 01002003004005006007008009001000 Heat capacity (cal/cell.K) Temperature (K) CASTEP Thermodynamic Proper

13、ties -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 01002003004005006007008009001000 Energy (eV) Temperature (K) CASTEP Thermodynamic Properties Zero point energy=0.04279194492 eV EnthalpyFree EnergyT*Entropy 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 01002003004005006007008009001000 Heat capacity (

14、cal/cell.K) Temperature (K) CASTEP Thermodynamic Properties 利用比较分析温度对自由能的影响，从而分析相高温转变问题 相关的光学研究（课堂操作7） 光吸收：声子和电子，以及之间的相互 作用； 光电子能谱电子吸收光； 拉曼光谱晶格振动（声子）吸收光； 红外吸收（振动吸收） 分子吸收光； 光吸收谱研究与DOS图谱 0 2 4 6 8 10 12 14 -50-40-30-20-100102030 Density of States(electrons/eV) Energy (eV) CASTEP Density of States tota

15、l 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 01020304050607080 Absorption (cm-1) Frequency (eV) CASTEP Optical Properties Scissors operator= 0 eV, Instrumental smearing : .5 eV Calculation geometry: Polarized, polarization direction: (1.000 0.000 0.000) Absorption 光学性质的计算设置和分析 分析输出红外谱 动画输出两种不同模式振动吸

16、收 0 1000 2000 3000 4000 5000 -200-10001002003004005006007008009001000 Intensity (km/mol) Wavenumber (1/cm) ZrO2_cubic - Spectrum Mode PositionsMode Intensities Smoothed Spectrum Demol3对非周期分子的计算设置 总能量与结合能 （课堂操作8） 利用第一性原理方法我们可以计算得到一 个已知体系的总能量； 但是总能量并不能体现相关材料本身原子 之间的相互结合能力，而内聚能（结合能） 才是可比较的； 内聚能（结合能）是指当

17、结构中的所有原 子被拆开到彼此完全孤立状态时所需要的 能量。 不同结构的相变的问题 E金红石=-4958.1177eV E板钛矿 =-4958.2343eV 锐钛型和板钛型二氧化钛在高温下都会转变成金红石型 E锐钛型 =-19832.5587eV/4 =-4958.1396eV = 1858 熔点 合成热力学和的动力学问题 合成主要实验方法综述； 合成的热力学理论； 合成的理论研究； 课堂实践：结合能（内聚能）的计算 和应用 离子导电研究 材料的性能是很多研究的课题任务，电学 性能是很重要的性质之一； 电学性能分很多方面，离子导电是其中重 要的方面也可以利用结合能（总能量） 的计算和分析得到； E=-9132.935389384 删去两个Li原子 Final energy, E = -87