Castep 软件在材料科学教学中的应用

Castep软件在材料科学教学中的应用〔〕:

摘要：为解决材料科学教学中存在的理论复杂、难度大、不易讲解的问题，采用第一性原理模拟软件Castep结合相关问题进展数值分析，利用计算机数值仿真技术辅助材料科学进展教学研究。结果说明通过计算机模拟可以使学生更深化地理解相关材料科学知识，获得明晰的物理图像，到达良好的教学效果。同时，软件的使用可以帮助学生将所学知识通过计算机转变为解决问题的才能，为其以后的研究工作打下坚实的根底。

关键词：材料科学；Castep；教学

本文引用格式：李强.Castep软件在材料科学教学中的应用[J].教育现代化,2022,6(85):220-221,243.

材料科学是研究材料构造、组分、温度之间的互相关系以及对其性能影响的学科【1】，也是现代工业开展的根底。然而材料科学课程涉及大量的数学推导过程，尤其是理论力学、材料力学这两门学科需要学生具有扎实的数学推导才能，学生普遍反响学习比拟困难。这就给材料科学专业的教学带来了一些新的问题：理论推导过程的复杂性容易使学生陷入到数学公式中而无视对物理内涵的理解和把控。假设能恰当地使用直观形象的案例教学方法，就能很好地使学生获得感性认知，大幅度提升课堂教学效率。数学是材料科学研究的根本工具，物理学是材料科学研究的根底，当我们建立起明晰的物理图像之后，材料科学的教学将变得游刃有余，否那么教师付出了艰辛的劳动，而学生却收不到好的教学效果。随着互联网和计算机技术的开展，完全依靠书本的传统教育已经越来越不适应于现代本科教育，这就要求我们进展教育教学改革，采用如网络教育、混合式教学等多种教育形式，以学生为主体，让学生在轻松愉快中学到知识，形成技能。

MaterialsStudio是目前分子模拟领域的各种先进方法和优异建模及可视化分析的大型集合软件【2】，可以帮助我们理解和解决材料科学中复杂的物理问题和材料力学问题。而Castep作为一款基于密度泛函方法的从头算量子力学程序包含在MaterialsStudio当中。Castep的典型应用包括外表化学，键构造，态密度、光学性质和力学性能等方面的研究。材料科学的教学重点要关注材料的构造、组分和性能，这里我们逐一讲解通过MaterialsStudio和Castep软件如何实现这三步。

一晶体构造的建立和认识

MaterialsStudio软件的Visualizer模块具有强大的建模才能[3-7]，它可以容易地建立和处理图形模型，包括有机、无机晶体、高聚物、非晶态材料等近上千种典型构造。MaterialsVisualizer也管理、显示并分析文本、图形和表格格式的数据，支持与其它字处理、电子表格和演示软件的数据交换。Visualizer的Build模块提供了用户所需的各种建模工具，完全可以满足材料科学教学的需要。金属通常包括三种典型构造：体心立方、面心立方和密排六方。MaterialsStudio软件很容易导入对应的构造，学生可以亲自动手操作，并自己观察这三种构造的原胞、单胞和超胞。以往的教学我们发现学生对单胞与原胞的差异、简单格子和复式格子的关系始终存在认知难度，因此我们可以借助MaterialStudio软件首先导入晶胞构造，在此根底上依次点击Build、Symmetry、Primitivecell，实现原胞和单胞的转换，而通过Conventionalcell功能可以将原胞转换成单胞。

如图1所示为我们实际教学中通过MaterialsStudio软件的Visualizer模块绘制的Ta的单胞、原胞和超胞构造。可以看到Visualizer模块显示的Ta的三种构造直观、形象，一目了然。教学理论发现，运用MaterialStudio软件进展晶体构造教学的学生比未应用MaterialStudio软件进展教学的学生对晶体构造的掌握要好很多。

Visualizer模块还包含一个名为AmorphousCell的分模块，能预测并研究的性质包括内聚能密度、状态方程行为、链堆砌和部分链运动，适宜于创立界面模型，用于研究粘着和光滑。

二材料光学性质的计算

材料的光学性质包括吸收谱、介电函数、反射谱、折射系数，损失函数，导电率等。这些光学性质在材料科学中都有对应的公式介绍，但大多数学生们看到这些公式感到很茫然，因为他们不知道这些公式怎么来的？表达什么内涵，而书本的内容却比拟抽象，这将影响他们对其物理本质和现象的认知。在MaterialStudio软件的Onlinehelp中不仅提供了吸收谱、介电函数、反射谱、折射系数、损失函数和导电率之间的公式和转换关系，还给出了它们之间的计算原理。就这一点来讲，让学生深化的认识了光学性质的物理本质，解决了他们深藏心中的疑惑。另外Onlinehelp中还给出了计算光学性质的详细步骤，学生可以按照提示一步步完成对应的计算。我们以金红石TiO2为例说明计算其光学性质的步骤。

首先通过菜单栏File/import功能从模型库〔share\Structures\metal-oxides〕中输入需要计算光学性质的金红石TiO2单胞模型：TiO2_rutile.msi；从菜单栏中选择Modules，再选择CASTEP模块，然后从下拉列中选择Calculation。在CASTEPCalculation的Setup标签中，把Task设置为GeometryOptimization，把Quality设置为Fine，并且把Functional设置为GGA或者PW91泛函。按下More按钮，选中Optimizecell。关闭CASTEPGeometryOptimization对话框，选择Electronic标签，按下More按钮以得到CASTEPElectronicOptions对话框。把Derivedgrid的设置从Standard改为Fine，关闭CASTEPElectronicOptions对话框。选择JobControl标签，设定本地运算，按下CASTEPCalculation对话框中的run命令，等待构造优化完成。

当构造优化完成后，使TiO2_rutileCASTEPGeomOpt/TiO2_rutile.xsd处于激活状态。选择CASTEPCalculation对话框中的Setup标签，从Task的下拉清单中选择Opticalproperties，最后按Run运行。

当Opticalproperties计算完成后，选择CASTEP模块，然后从下拉列中选择Analysis/Opticalproperties，点击Calculation和View，即可观察到金红石TiO2的反射光谱。整个教学过程生动有趣，学生兴趣盎然，学习效果大大提升。

三材料弹性性质的计算

材料最重要的两个性能是弹性和塑性，而弹性常数的理论计算对于材料科学专业来讲是非常重要的，其是设计材料的首要考察指标。用Castep预测材料弹性性能的采用下面三步，这里以Ta的弹性常数为例。

首先通过菜单栏File/import功能从模型库中输入需要计算弹性性质的Ta金属单胞模型；从菜单栏中选择Modules，再选择CASTEP模块，然后从下拉列中选择Calculation。在CASTEPCalculation的Setup标签中，把Task设置为GeometryOptimization，把Quality设置为Fine，并且把Functional设置为GGA或者PW91泛函。按下More按钮，选中Optimizecell。关闭CASTEPGeometryOptimization对话框，选择Electronic标签，按下More按钮以得到CASTEPElectronicOptions对话框。把Derivedgrid的设置从Standard改为Fine，关闭CASTEPElectronicOptions对话框。选择JobControl标签，设定本地运算，按下CASTEPCalculation对话框中的run命令，等待构造优化完成。

当构造优化完成后，使TaCASTEPGeomOpt/Ta.xsd处于激活状态。选择CASTEPCalculation对话框中的Setup标签，从Task的下拉清单中选择ElasticConstants。按下More按钮，在CASTEPElasticConstants对话框将Numberofstepsforeachstrain由4增加为6，按Run运行。待运行完毕后，在Ta.castep文件得到Ta的弹性常数、剪切模量、块体模量、杨氏模量和泊松比，如表1所示，为我们获得的Ta的弹性常数、弹性常数、剪切模量、块体模量和杨氏模量。

从整个计算弹性常数和弹性模量的过程可以看出，学生只要在教师的引导下都可以完成相关任务的计算和分析。通过在材料科学教学中引入这一教学环节，学生对材料科学的学习兴趣极大进步，他们也从中体会到了学习和探究的乐趣。

四结论

通过引入Castep软件辅助材料科学的教学，我们发现学生的学习积极性大幅度提升，原来枯燥乏味的公式推导转变成了形象生动的探究性学习，增强了学生的参与度和求知欲，培养了学生的创新才能和理论才能，为学生将来开展科学研究奠定了坚实的根底。

参考文献

【1】高蕊,潘晓燕,花蕾,等.应用型人才培养形式下?材料科学根底?教学改革探究[J].教育教学论坛,2022(20):72-73.

【2】张丽萍.MaterialStudio软件在固体物理教学中的应用[J].课程教育研究,2022(08):193-194.

【3】吕珍龙,崔红玲.晶体建模软件在固体物理教学中的应用[J].课程教育研究,2022(30):157-158.

【4】笪良国,张倩茹.MaterialsStudio8.0在晶体构造教学中的应用[J].淮南师范学院学报,2022,21(02):60-62+70.

【5】杨华哲.MaterialsStudio软件在材料物理教学与科研中的应用[J].物理与工程,2022/r