材料计算设计基础实验指导书..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 Visualizer 的各种建模和可视化工具； 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 硬件：多台PC机和一台高性能计算服务器。 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 ①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。 ②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 ①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。 ②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。 ③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 ①在 Project Explorer工作栏内,双击.castep文件，将其激活。 ②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 实验目的: 掌握分子力学和分子动力学的模拟方法； 学会使用Visualizer 的各种建模和可视化工具； 熟悉Forcite模块的功能。 实