材料设计与计算方法（李鸿）第一章 材料与计算方法概述

材料设计与计算方法

李鸿2015年秋季

基础背景晶体结构，固体物理，能带理论第一性原理计算Kohn-Sham方程：北方工业大学机械与材料工程学院课程内容第一章材料与计算方法概述第二章晶体的结构与分类第三章材料的物理性质第四章第一性原理方法第五章应用实例北方工业大学机械与材料工程学院课程目标学会如何搜集材料的信息，能利用一款材料计算软件MaterialStudio构建晶体材料结构，并利用其中模块CASTEP（或DMOL）计算一些晶体的基本性质。北方工业大学机械与材料工程学院参考教材计算凝聚态物理纳米材料设计

钟建新著湘潭大学出版社2010现代材料计算与设计教材

吴兴惠

项金钟著电子工业出版社2002固体物理学（重排本）

黄昆著北京大学出版社2014材料物理导论（第三版）熊兆贤著科学出版社2012材料物理

李志林著

化学工业出版社2009另外，请充分利用baidu，google，论坛，图书馆，等等。北方工业大学机械与材料工程学院考查方法平时作业：40分4次，每次10分期末考核：60分北方工业大学机械与材料工程学院第一章材料与计算方法概述

思考看到一种材料，最关注的是什么？北方工业大学机械与材料工程学院组成结构性能功能可能应用生产实用思考看到一种材料，最关注的是什么？北方工业大学机械与材料工程学院组成结构性能功能可能应用生产实用理论计算所关注材料设计三个主要环节：采用理论计算的方法预测新物质新材料的电子态、晶体结构、物性等；建立数据库，并利用数据库导出半经验定律；利用扩展系统，预测具有特殊功能的物质组成、原子空间排布等。北方工业大学机械与材料工程学院这是一个“实验---数据库的更新---计算机模拟---实验合成新材料”的无限循环。从计算到实验的材料设计过程：思考看到一种材料，最关注的是什么？北方工业大学机械与材料工程学院组成结构性能功能可能应用生产实用实验生产所关注材料设计北方工业大学机械与材料工程学院从实验到生产的材料设计：大体上说，理论计算设计出原材料；实验生产出原材料；工厂利用原材料设计。材料设计从广义上来说，材料设计可以按研究对象的空间尺度不同分为三个层次：工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究；连续模型层次，典型尺度在1μm的量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；微观设计层次，空间尺度在约1nm的量级，是原子、电子层次的材料设计。北方工业大学机械与材料工程学院本课程内容材料设计材料设计：通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。北方工业大学机械与材料工程学院组成结构功能找一找猜一猜算一算找一找猜一猜算一算本课程：基于第一性原理的材料设计与计算

随着理论基础的完善与计算机的飞速发展，利用计算机进行结构模拟与功能预测已经在多个领域成为现实。研究材料前的准备工作了解材料了解材料的发展了解材料的分类选定一种材料，了解相关知识查找一个材料的结构，相关性能，目前研究的进展时刻关注最新的成果了解计算方法第一性原理计算分子动力学蒙特卡洛方法，等等北方工业大学机械与材料工程学院材料的发展材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发展的文明史

石器时代，陶器时代，青铜时代，铁器时代，钢铁时代

原始社会奴隶社会封建社会北方工业大学机械与材料工程学院资本主义社会主义材料的发展近年来，材料进入了迅猛发展的时代，各种新型人工合成材料应时、应运而出。

对材料要求：更轻，更强，更优异的性能，更经济，等等。北方工业大学机械与材料工程学院材料的高速发展将带人类前往何方？材料设计的目标：加速新材料的研发与应用过程研究材料前的准备工作了解材料了解材料的发展了解材料的分类选定一种材料，了解相关知识查找一个材料的结构，相关性能，目前研究的进展时刻关注最新的成果了解计算方法第一性原理计算分子动力学蒙特卡洛方法，等等北方工业大学机械与材料工程学院材料分类从结构对称性上分：晶体，非晶体从尺度上分：纳米，块材从维度上分：0，1，2，3维按材料性能分：力热电光磁按材料的导电性分：金属材料，半导体材料，绝缘材料按是否含C分类：有机材料，无机材料按成分和特性分类：金属材料，陶瓷材料，高分子材料，

复合材料按用途分类：结构材料，功能材料按功能分类：光敏材料，热敏材料…等等北方工业大学机械与材料工程学院研究材料前的准备工作了解材料了解材料的发展了解材料的分类选定一种材料，了解相关知识查找一个材料的结构，相关性能，目前研究的进展时刻关注最新的成果了解计算方法第一性原理计算分子动力学蒙特卡洛方法，等等北方工业大学机械与材料工程学院我们的研究从这里开始纳米材料简介纳米材料：是指在三维空间中至少有一个维度处于纳米尺度范围内(1-100nm)的材料或者由它们作为基本单元的材料。1nm=10-9m原子半径~0.1nm纳米材料的尺寸接近于电子的相干长度，电子的性质因为强相干会发生很大的变化；另外由于尺度在纳米量级，必然存在大量的表面原子，导致特殊的表面效应。纳米材料在电学、磁性、热学、光学等方面的性质，可能完全不同于该物质对应块体所表现出来的性质。北方工业大学机械与材料工程学院纳米材料简介北方工业大学机械与材料工程学院态密度纳米材料的基本性质一般来讲，只要体系尺度处于纳米量级，那么它将具有以下特征：小尺寸效应自组装效应表面效应量子尺寸效应宏观量子隧穿效应北方工业大学机械与材料工程学院小尺寸效应北方工业大学机械与材料工程学院由于纳米材料尺寸减小而引起的体系在力学、光学、电学、磁学、热学等方面宏观物理性质的变化的现象。性质不一定是单调变化的。重构现象：对于较小的纳米颗粒，增加一个原子就可能使结构整体上发生变化；另外对于尺寸较小的纳米线或纳米薄膜，由于其表面原子存在悬挂键，也会出现表面重构现象。自组装效应北方工业大学机械与材料工程学院原子、分子、分子团簇等主动排列成有序的实体而不需要人为介入。如：在Si衬底上通过分子束外延技术自组装生长Ge量子点；用电弧放电法或化学气相沉积法，使碳原子自组装成两端封闭的管状结构。表面效应北方工业大学机械与材料工程学院纳米体系的表面粒子与总粒子数之比随着体系尺寸的减小而大幅度增加，从而导致表面能增加，引起纳米体系的结构和性质发生显著变化。表面原子由于配位数不足，存在大量的悬挂键，出现很多活性中心，表面台阶和粗糙度增加，表现出非化学平衡、非整数配位的化学价，容易与其它原子、分子相结合，因而有较高的表面化学活性。量子尺寸效应北方工业大学机械与材料工程学院当颗粒尺寸减小到某一临界值时，费米能级附近的电子能级由准连续态转变为离散态的现象宏观量子隧穿效应北方工业大学机械与材料工程学院微观粒子具有贯穿势垒的能力，称为隧穿效应。而一些纳米材料的宏观量，如纳米团簇的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧穿效应，称为宏观量子隧穿效应。纳米材料的实验制备固相法高能球磨法超微气流粉碎法液相法均相沉淀法溶胶-凝胶法喷雾法气相法气体冷凝法化学气相沉积法物理气相沉积法北方工业大学机械与材料工程学院研究材料前的准备工作了解材料了解材料的发展了解材料的分类选定一种材料，了解相关知识查找一个材料的结构，相关性能，目前研究的进展时刻关注最新的成果了解计算方法第一性原理计算分子动力学蒙特卡洛方法，等等北方工业大学机械与材料工程学院材料数据库数据的获取，信息的存储，知识的认知之间存在鸿沟北方工业大学机械与材料工程学院所以可能需要慢慢的细细的找寻我们的工作材料数据库介绍一款开放的晶体结构数据库：COD/北方工业大学机械与材料工程学院从这20种文献中得到的，结构不是很全(⊙﹏⊙)b有机，无机晶体皆有材料数据库以查找ZnO（常温下两种结构）结构为例：北方工业大学机械与材料工程学院请多方位的查找数据：数据库，文献，询问前辈…14条记录，1种结构34条记录，4种结构付费版，98条记录，？种结构无机晶体数据库研究材料前的准备工作了解材料了解材料的发展了解材料的分类选定一种材料，了解相关知识查找一个材料的结构，相关性能，目前研究的进展时刻关注最新的成果了解计算方法第一性原理计算分子动力学蒙特卡洛方法，等等北方工业大学机械与材料工程学院及时地查找文献（baidu,google学术,图书馆，等等）查找文献比较Baidu学术，google学术，学校图书馆中的sci检索北方工业大学机械与材料工程学院查找文献找到了6.7万-55万的文献尽量输入足够多的信息，以减少文献数。另外，为防止漏掉文献，请查看文献中引用的相关文献，还有时刻关注引它的文献。北方工业大学机械与材料工程学院研究材料前的准备工作了解材料了解材料的发展了解材料的分类选定一种材料，了解相关知识查找一个材料的结构，相关性能，目前研究的进展时刻关注最新的成果了解计算方法第一性原理计算分子动力学蒙特卡洛方法，等等北方工业大学机械与材料工程学院第一性原理计算不依赖于经验参数，直接求解材料的最基本的量子力学方程；一种精确的材料预测和评估方法，可以预测材料的结构及光学、电学、磁性等方面的性质。北方工业大学机械与材料工程学院研究材料前的准备工作了解材料了解材料的发展了解材料的分类选定一种材料，了解相关知识查找一个材料的结构，相关性能，目前研究的进展时刻关注最新的成果了解计算方法第一性原理计算分子动力学蒙特卡洛方法，等等北方工业大学机械与材料工程学院分子动力学以经典粒子（原子、分子、离子）为研究对象，按照粒子间的相互作用势，通过求解各个粒子的运动方程，获得不同时刻粒子的空间位置和运动状态，从而统计出体系宏观行为特性；可提供微观结构、运动状态以及它们和体系宏观特性之间关系的清晰的物理图像。北方工业大学机械与材料工程学院研究