计算材料学 期末复习 - CMS
计算材料学2013期末复习
分子动力学方法
0、材料多尺度特征、材料模拟计算方法的种类及特点
1、什么是分子动力学？
2、分子动力学方法包含的要素
3、体系动能、内能、温度的定义
4、原子间相互作用势：LJ双体势的数学形式、物理意义、特点（长程、势能截断、势能截断方案的必要性及准则）
5、原子间相互作用势：EAM多体作用势数学形式、物理意义、特点
7、原子间相互作用势：SW多体作用势数学形式、物理意义、特点
8、合金体系的原子间相互作用势
9、如何由原子间相互作用势求得原子间力？原子间相互作用势（如LJ）二阶导数的物理意义
10、典型晶体结构（fcc、bcc、hcp、sc、dc）的特点（最近邻、次近邻、第三近邻距离及原子配位数）
11、非晶态体系结构的特点（液体、金属玻璃）
12、举例说明MD模拟标定初始条件（粒子位置、速度、温度、体积、压力。。。）的重要性
13、势能截断距离（rc）与近邻原子；寻找每个粒子的近邻原子数，建立近邻表，如何提升计算效率？（t～N2 or t～N）
14、周期性边界条件的目的，周期性边界条件与模型体系的分类，何谓“supercell”？
15、代表“理想无限晶体”（fcc Ar，L-J相互作用势）的最小盒子尺寸
16、给定势函数，势能截断距离（第二近邻，第三近邻），估算ei和晶格常数a的关系。估算平衡晶格常数a0，验证此时原子受力是否为零，计算晶体的弹性模量。
17、通过判断粒子受力（fi）和速度（vi）状态，如何简单实现体系的能量最小化？
18、能量最小化方法的用途体现在哪些方面?
19、选取MD积分时间步长的物理准则
20、Verlet积分算法的特点，用其预测粒子位置、速度的精度如何？
20、在NVT系综、NPT系综中，体系处于平衡温度时粒子速率分布的特点
21、简述分子动力学模拟中，采用经验或半经验原子间相互作用势的理由。（半经验的原子间相互作用势的合理性体现在哪些方面？）
22、MD中体系静态结构的表征
23、动态结构：扩散系数、速度自相关函数
实验1：晶格常数和体模量
1、用MD方法计算晶格常数的基本原理
2、平衡晶格常数与分子动力学5要素中最相关的一个要素是_____？
3、由本次实验得出Si原子最可能以_____晶体结构排列？
3、计算体弹模量的公式。
实验2：点缺陷
1、空位形成能，间隙原子形成能，空位迁移能
2、点缺陷（空位，间隙原子）局部区域的原子能量及结构发布特征
3、实验中可能观察到不止一种间隙原子构型，为什么？
实验3：位错
1、刃型位错与螺型位错应力场的分布特点
2、列举基于各向同性弹性假设的位错应变能理论计算公式，与实际观测相比，理论可能有哪些不足？
3、简述刃型位错与螺型位错的异同
实验4：表面与界面
1、表面能的计算原理（为什么公式中是两倍的面积（2A）?）
2、晶界能的计算公式，并解释各项的含义
实验5：层错
1、层错能定义，如何计算
2、isf、esf、twin的结构区别、能量差别
3、面心立方金属Al和Cu的层错在结构和能量上是否有差别？
实验6：熔化
1、低温晶体，高温晶体，液体
2、分子动力学模拟得到的熔点是平衡熔点吗？模拟中所看到的熔点的物理含义是什么？
3、通过计算径向分布函数，均方根位移，揭示原子体系的结构、热振动、以及扩散
计算材料学
计算材料学 计算材料学是近20年里发展起来的一门边缘学科. 它运用固体物理理论, 理论化学和计算机算法来研究材料里的一些实验研究有困难的课题. 它是材料研究里的"计算机实验". 本课程主要介绍计算材料学里的原子和纳米尺度模拟的一些常用方法, 如原子相互作用势、最小能量法、分子动力学、蒙特卡洛方法, 也简单介绍了电子－原子尺度的模拟方法、微观－介观尺度的模拟方法、介观－宏观尺度的模拟方法和跨尺度模拟方法. 本课程还采用材料研究中的实际例子来说明这些方法的运用. 课程性质： 学时：32 对象：研究生 教学用语：中文/英语 先修课要求：高等数学, 大学物理, 量子与统计，固体物理 教学内容 1．绪论(2学时) 1.1 计算材料学的发展概况 1.2 计算材料学的范围与层次 2．原子相互作用势(4学时) 2.1 原子相互作用势的一般形式 2.2经验性对势 2.3 多体势 2.4 壳模型 2.5 键级势 3．最小能量法(6学时) 3.1 完整晶体结构模拟
3.2 缺陷模拟 3.3 自由能最小能量法 3.4 表面结构模拟 4．分子动力学方法(6学时) 4.1 原子系统的运动方程 4.2 运动方程的积分 4.3 边界条件 4.4 分子动力学方法在材料科学中的应用 5．蒙特卡洛方法(6学时) 5.1 随机数 5.2 蒙特卡洛积分 5.3 Metropolis蒙特卡洛方法 5.4蒙特卡洛方法的误差 5.5 蒙特卡洛方法在材料科学中的应用 6．电子－原子尺度的模拟方法简介(3学时) 6.1 Hartree-Fock 方法 6.2 分子轨道理论 6.3 从头计算法 6.4 紧束缚势方法 6.5 局域电子密度泛函理论 7．微观－介观尺度的模拟方法简介(3学时) 7.1 离散位错静力学和动力学 7.2 Ginzburg-Landau相场动力学模型
计算材料学
摘要：本文通过第一性原理方法，从理论角度研究掺杂 ZnO 的电子结构（包括能带结构、电子态密度）。氧化锌（ZnO）是一种有着广泛的应用前景的宽带隙半导体材料，属 II-VI 族,在光电和压电等方面有着优越的价值。在室温下禁带宽度为 3.37eV，束缚激子能高达60meV。 关键词：ZnO 第一性原理能带结构态密度 ZnO 是一种有着十分广泛的应用前景宽带隙半导体材料。ZnO 有三种晶体结构，如图 1（a）、（b）、（c）分别是纤锌矿结构、闪锌矿结构、岩盐矿结构。自然条件下以四配位纤锌矿结构存在—低压稳定相。闪锌矿结构可以在立方基底上生长获得，而岩盐矿结构通过对纤锌矿加压，在压力大于 9GPa 条件下得到。究人员通过大量的实验发现：纤锌矿结构的 ZnO 是性质最稳定的一种宽禁带氧化物半导体材料之一。 （a）（b）（c） 图1 ZnO 有三种晶体结构 1 模型构建与计算方法 1.1 模型构建 理想ZnO 是六方纤锌矿结构, 属于P63/mc 空间群, 对称性为C6v-4, 晶格常数 a=b=0.3249 nm, c=0.5206 nm, α= β = 90°, γ=120°. 其中c/a 为1.602, 较之理想六角密堆积结构的1.633 稍小. c 轴方向的Zn—O 键长为0.1992 nm, 其他方向为0.1973 nm,其晶胞由氧的六角密堆积和锌的六角密堆积反向套构而成.计算选用 2×2×2 的 ZnO 超晶胞，由 8 个 ZnO 单胞组成，共包含 32 个原子。如图2所示 图2 ZnO的结构模型（正视图和俯视图） 1.2 计算方法 文中所有的计算工作均由MS 软件中的Castep软件包完成. Castep 软件是一个基于密
计算材料学实验
实验四利用Material Studio分析研究晶体材料性能 姓名：高峰学号：1309050307 班级：材料物理1303 日期：2016.3.29 一、实验目的 1、了解Material Studio(MS)软件中有关固体材料科学设计各个模块功能； 2、掌握在 MS软件Materials Visualizer 子模块中创建晶体结构模型； 3、掌握在 MS 材料计算软件中研究晶体材料性质的方法； 4、掌握查看和分析晶体材料属性的方法。 5、分析AlAs晶体的晶格常数、态密度、能带图等性质。 二、实验原理及方法 Materials Studio 是世界上著名的计算材料软件，其拥有十分强大的材料计算和设计功能。该软件中的Materials Visualizer 子模块，可用于构建晶体模型。根据晶体学与本课程所学知识，每种晶体都有其特有的晶体结构排布，每个原子占据一定的原子位置，每种晶体都具有相应的晶格常数、对称性等晶体学数据。 Materials Visualizer 子模块可给出晶体结构的直观模型，并可以分析出晶体的晶格参数、空间群、原子坐标的数据。 CASTAP是特别为固体材料学而设计的一个现代的量子力学基本程序，其使用了密度泛函(DFT）平面波赝势方法，进行第一原理量子力学计算，以探索如半导体，陶瓷，金属，矿物和沸石等材料的晶体和表面性质。Material Studio使用组件对话框中的CASTAP选项允许准备，启动，分析和监测CASTAP服役工作。 CASTAP的任务：能量任务、几何优化任务、动力学任务、性质任务。 三、实验仪器 Materials Studio 软件、计算机。 四、实验步骤 1.构建晶体模型 （1）创建空的单胞：build --build crystal，选择合适的空间群和晶格常数。（2）添加原子： build --add atoms输入原子种类及原子坐标。若有原子在晶胞外，选择rebuild。 （3）构建原胞：build --symmetry –primitive cell。 2.晶体模型计算 （1）结构优化：modules --CASTEP –calculation--setup --task --geometry optimization，计算精度根据计算的时间要求及单胞中的原子个数，一般选为fine；函数选默认的GGA-PBE 方法。 （2）性质计算：在setup 的同级对话框中选择properties，CASTEP 可完成的性质计算及计算过程中的计算精度控制等都可以在本对话框中进行选择。然后点击run，开始进行计算。 3.晶体模型分析 根据Modules--CASTEP --analysis 工具，可以分析出已计算的晶体性质。五、实验结果分析
计算材料学
Monte Carlo方法模拟及其应用 沈合平 （上海大学材料学院学院，上海200072） 摘要：扫描电子显微学中使用二次电子和背散射电子作为成像信号时遇到了一些问题，通过计算机模拟可以很好地解决这些问题.本文首先介绍了Monte Carlo方法，再介绍了Monte Carlo方法在扫描电镜模拟中的应用，并且总结了计算机模拟的发展方向。 关键词：扫描电子显微镜；衬度；Monte Carlo；计算机；模拟 Abstract:Scanning electron microscopy using the secondary electron and backscattered electron imaging signal as many problems encountered,which can be solved by computer simulation.This paper describes the Monte Carlo method, and then introduced the Monte Carlo method in the simulation of a scanning electron microscope, and summed up the direction of the computer simulation. Keywords:SEM;Contrast;Monte Carlo;computer;simulation 1. 引言 扫描电子显微学中使用二次电子和背散射电子作为成像信号。对于研究材料的表面形貌非常重要。低能二次电子主要反映试样的表面形貌特征,而较高能量的背散射电子既可在一定程度上反映试样的表面特征,也可表征试样的内部成分和结构差异。 多数二次电子的能量很小,从表面发射时的峰值能量仅为数eV,故其在材料内部的运动范围有限,只有那些在表面附近产生的二次电子才能从试样表面发射出来。二次电子主要用于表征试样的表面形貌特征。而具有较高能量的背散射电子则是入射电子在深入试样的内部后由于多次散射效应再从表面发射出来的那些电子,它们既包含试样的表面信息,也含有试样结构差异和内部成分的信息。 当用场发射扫描电镜观察数十纳米尺度以下的小颗粒时,衬度与大尺度颗粒的情形相差很大,二次电子图像仅仅呈现出一些亮点和较弱的光点,而背散射电子图像则显示大量的亮点,因此难以判定颗粒在基底表面的分布情况。由于该颗粒/基底体系的扫描电镜图像衬度的形成机制较为复杂[1,2],尚未得到理解,因而限制了从SEM图像中提取出有用信息。 如果能模拟计算二次电子和背散射电子信号产生的过程,将有助于理解扫描电子显微镜的成像和图像衬度机理。因此,研究者们利用电子散射轨迹模拟的Monte Carlo方法已做了一些研究,如Gauvin[3]模拟了一个嵌入到均匀基底内的球的背散射电子像和X射线像;Radzimski和Russ[4]基于利用Rutherford散射截面和Bethe阻止本领的单散射模型,模拟了多层多元素试样在二维方向上表面形貌的背散射电子像;而Yan和Gomati[5]则开发了一个三维的Monte Carlo程序用来模拟一些比较复杂试样的背散射电子和Auger电子像,但这个程序也要求试样的几何结构必须能被解析地表达出来,所以能模拟的情形仍然有限。特别是这些研究中还不能得到二次电子像,主要原因是因为计算二次电子发射的产额相当困难。 因此,无论从计算方法还是从应用前景,模拟成分非均匀和形貌特殊的试样成像(特别是二次电子像)均成为有重要意义的研究工作。 2.Monte Carlo方法 Monte Carlo 方法是在二战期间产生和发展起来的。他的奠基者是美籍匈牙利人数学家冯诺伊曼（J.Von Neumann 1903-1957）。作为Monte Carlo 方法的最初应用，是解决蒲丰氏
计算材料学讲稿-6
第一次课绘制简单分子 一、画一个苯酰胺 目的：介绍Materials Visualizer中画结构的工具。 用到的模块：Materials Visualizer 化学家每天都要处理很多种类的小分子和中间物。所以容易的创建模型对建模环境都是很重要的。苯酰胺是典型的小分子结构。以下通过建立他的结构来学习Materials Studio。下面是要建立的苯酰胺的结构： Benzamide 1.创建3D文档： 从菜单中选择File | New...打开New Document对话框。选择3D Atomistic Document（三维原子文档），按OK。建立了一个三维窗口，工程管理器中显示建立了名为3D Atomistic Document.xsd的文件。在工程管理器这个文件名上右击鼠标，选择Rename改名。键入my_benzamide的新名字，按回车。选择File | Save 命令，或按标准工具条中的按钮。在my quickstart文件夹（每个工程都对应一个同名的文件夹）中建立了名为my_benzamide.xsd的文件。 2. 改变到Ball and Stick球棍模型显示方式。 三维窗口中右击鼠标，选择Display Style，打开Display Style对话框，在Atom 选项卡上设置。Materials Studio能在任何显示方式下添加原子。 3. 画环和原子链。
在草画工具条上单击Sketch Ring 按钮，鼠标移到三维窗口。鼠标变为 铅笔行状提示你处于草画模式。鼠标榜的数字表示将要画的环包括的原子数目。可以通过按3-8的数字键改变。确保这个数字为6，三维窗口中单击。画出了一个6个C原子的环。如果安装ALT键单击，产生共振键。 现在单击草画工具条Sketch Atom 按钮，这是通用添加原子工具，可加 入任何元素，默认加入C原子。如下在环上加入两个C原子。在环上移动鼠标，当一个原子变为绿色时单击，键的一端就在这个原子上，移动鼠标再单击就加入了一个C原子，再移动，并双击。这样在环上加入了两个原子。另一种结束添加原子的方法是在最后一个原子位置单击，然后按ESC键。注意，新加入的原子的化学键已经自动加上。 注意：你可以按Undo 按钮取消错误操作。 4、加入氧原子。 按Sketch Atom按钮旁的向下按钮，显示可选元素，选择氧Oxygen，在支链上移动鼠标，当变为蓝色显示时单击，这个原子就有了一个化学键，移动鼠标并双击。加入了O原子。在3D窗口工具条上按按钮，进入了选择模式。 5. 编辑元素类型。 单击链末端的C原子，选定它。选定的对象用黄色显示。按Modify Element按钮旁的箭头，显示元素列表，选择Nitrogen氮，选定的原子就变为了氮原子。单击三维窗口中空白地方，取消选择，就可以看到这种变化了。 6．编辑键类型。 在三维窗口中在C和O原子中间单击选定C－O键。选定的键以黄色显示。按下SHIFT键，单击其它三个相间的键。现在选定了三个C－C键和一个C－O键。 单击Modify Bond 按钮旁的向下按钮，显示键类型的下拉列表，选择Double Bond双键。取消选定。 7. 调整氢原子和结构 现在可以给结构自动加氢。单击Adjust Hydrogen 按钮，自动给模型加入
【PDF】计算材料学MDexpRef
计算材料学 分子动力学上机实验教程（2014.04） 课时安排、重要通知、更新、软件下载请见： https://www.sodocs.net/doc/d515609051.html, 上机实验相关软件分类介绍 分子动力学：LAMMPS --- 附录1 操作系统：CentOS（linux）--- 附录2 可视化：Atomeye --- 附录3（课堂使用），OVITO --- 附录4（推荐课下使用） 画图：Gnuplot --- 附录5 文本编辑：Gedit：Linux，GNOME桌面环境下兼容UTF-8的文本编辑器。它使用GTK+编写而成，简单易用，支持包括gb2312、gbk在内的多种字符编码。 远程登录和文件传输：sftp（Xmanager） 附录1. LAMMPS介绍： LAMMPS-Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator, 大规模原子分子并行模拟器。美国Sandia 国家实验室开发，开放源代码且可以免费获取使用，使用者可以根据自己需要自行修改源代码。LAMMPS可以支持包括气态，液态或者固态相形态下、各种系综下、百万级的原子分子体系，并提供支持多种势函数。 且LAMMPS有良好的并行扩展性。 材料领域，LAMMPS已经是准标准化的分子动力学软件。 LAMMPS官网：https://www.sodocs.net/doc/d515609051.html,/ 使用LAMMPS: (1)输入一般至少包括两个： (a)input文件: LAMMPS命令集成在该文本中，可以包括MD相关的模型结构，弛豫条件，加载方式，输出 内容等绝大多数信息。具体每一行语句在官网上有详细的解释。我们学习的一项主要内容是理解和改写input文件。 (b)势函数文件：将势函数的参数等信息独立出来，写成单独的一个文件，在input文件内调入使用。 (2)运行软件： 保证当前目录下写好了input文件和势函数文件，终端上输入命令（串行）: (3)输出一般有三个部分：（所有输出都与input文件与输出相关的指令相关） (a)直接输出在屏幕上，一些程序运行的关键信息直接出现输出屏幕上，一般是整个体系的信息。这些内容默 认保存在https://www.sodocs.net/doc/d515609051.html,mmps文件里，我们称为log文件。 (b)输出记录每个原子信息的文件，有多种形式，我们的到的x.cfg文件是可以被可可视化软件Atomeye直接 读取的。也可以用gedit直接打开，可以看到每一行记录一个原子的信息，比如坐标，速度，动能，势能等。 (c)其它按照input文件中的指令计算并输出的文件或者是对log文件中的内容处理提取得到的文件。同样可 以用gedit打开，我们可以对其进行后续的分析，计算，画图等处理。 Input脚本语法介绍： （LAMMPS版本更新非常快，这里只是对本课程所需的命令及其它部分常用命令的介绍，关注LAMMPS官网https://www.sodocs.net/doc/d515609051.html,/，是学习LAMMPS最有效的方法！） 以下□表示空格,红色表示可更改的参数
《计算材料学》结课复习
《计算材料学》结课复习 1. 根据模拟对象（空间）尺度和（时间）尺度的不同，我们可以选择相应的方法展开计算材料学模拟。 2.将多原子体系理解为电子和原子核组成的多粒子体系，并利用（绝热近似） 将二者的行为区别对待，从而分别利用（量子力学）和(经典力学）进行处理。 3.材料的性质和行为取决于（组成材料的原子及其电子的运动状态），描述原 子和电子的运动的物理基础是（量子力学）。 4.模拟原子实体系行为的主要方法是（分子动力学），其基本物理思想是求解 一定物理条件下的多原子体系的（牛顿运动方程），给出原子运动随时间的演化，通过（统计力学方法）给出材料的相关性能。 5.描述微观粒子的运动行为采用的是（薛定谔方程），在（<10-13）的微观层次，方程放之四海而皆准。方程建立容易，困难在于（求解）。求解多粒子体系的（薛定谔方程）必须针对具体内容而进行必要的（简化）和（近似）。 6.离子实体系的（牛顿）方程决定着体系的（声波的传导、热膨胀、晶格比热、晶格热导率和结构缺陷等）性质。 7.电子体系的（薛定谔）方程决定着体系的（电导率、热导率、超导电性和磁 学性能）等等。 8.对电子体系的（薛定谔方程）引入（单电子）近似、（自恰场）近似和（非 均匀电子气）理论，建立了（hartree－fock理论）和（密度泛函理论），从 而实现电子体系的方程（可解）。 9.（量子力学）使材料科学的体系和结构都了发生深刻的变化，使化学和物理 学界限模糊理论上（趋于统一），带动材料科学进入（分子水平）。 10. 70余年，量子力学经受物质世界不同领域（原子、分子、各种凝聚态、基 本粒子和宇宙物质等）实验事实的检验，其正确性无一例外。任何（唯象理论）都不可与之同日而语。 11. 量子力学的第一原理方法只借助（5个基本物理常数）：电子电量、电子 ,h, c和k)，不依赖任何（经 质量、普郎克常数、光速和玻耳兹曼常数 (e, m e 验参数）即可正确预测微观体系的状态和性质。 12.材料建模的不同尺度：电子结构(electronic structure) DFT 10-10 , 原 子结构(atomistic) MD/MC 10-8, 微结构 (microstructure) FEM 10-6 , 连续体(continuum)CFD 10-3 13.各种方法的英文名字及简写：密度泛函方法 density functional theory(DFT),分子动力学模拟molecular dynamics (MD), 蒙特卡罗模拟monte carlo(MC), 有限元方法 finite element method (FEM), 计算流体力学Computational fluid dynamics (CFD).
计算材料学_Ising模型实验报告
Monte Carlo实验报告 一、项目名称：Ising 模型 二、项目内容概要 1、编译和运行 进入实验的文件夹：cd□~/sourcecode/2D_Ising 文件夹里有源代码mc2d.f和输入文件in.2d 阅读理解并编辑输入文件：gedit□in.2d 之后编译mc2d.f f95 mc2d.f -o mc2d.exe 运行可执行文件 ./mc2d.exe 查看刚刚生成的四个输出文件，四个文件的内容如下： file1.out：温度；时间；单位原子能量；单位原子磁化强度 file2.out：温度；单位原子能量；能量变化；单位原子磁化强度；磁化强度变化；单位原子热容 file3.out：温度；自旋构型 file 4.out：温度；能量升高而被接受的数目；能量下降而被接受的数目；被拒绝的数目2、gnuplot 作图
作温度与能量图：p “file2.out” u 1:2 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第2 列数据； 作温度与磁化强度图：p “file2.out” u 1:4 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第4 列数据 作温度与热容图：p “file2.out” u 1:6 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第6 列数据 三、项目实施方法/原理 1925 年，伊辛提出描写铁磁体的简化模型：设有N 个自旋组成的d 维晶格 (d=1,2,3)，第i 格点自旋为Si=±1(i=1,2,…N; ±代表上下)。只考虑最近邻作用，相互作用能为±J(J>0 为铁磁性, J<0 为反铁磁性)，平行为-J，反平行为J。 伊辛模型的蒙特卡洛模拟基本步骤如下：
计算材料学
计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。 计算材料学- 学科介绍 计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。计算材料学主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。前者使材料研究不是停留在实验结果和定性的讨论上，而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性，有助于原始性创新，可以大大提高研究效率。因此，计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。 计算材料学- 研究领域 材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研究的四大要素，传统的材料研究以实验室研究为主，是一门实验科学。但是，随着对材料性能的要求不断的提高，材料学研究对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至要研究到电子层次。因此，材料研究越来越依赖于高端的测试技术，研究难度和成本也越来越高。另外，服役性能在材料研究中越来越受到重视，服役性能的研究就是要研究材料与服役环境的相互作用及其对材料性能的影响。随着材料应用环境的日益复杂化，材料服役性能的实验室研究也变得越来越困难。总之，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代 新材料研究和发展的要求。然而计算机模拟技术可以根据有关的基本理论，在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究，也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能，模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理，进而实现材料服役性能的改善和材料设计。因此，在现代材料学领域中，计算机“实验”已成为与实验室的实验具有同样重要地位的研究 手段，而且随着计算材料学的不断发展，它的作用会越来越大。 计算材料学的发展是与计算机科学与技术的迅猛发 展密切相关的。从前，即便使用大型计算机也极为困难的一些材料计算，如材料的量子力学计算等，现在使用微机就能够完成，由此可以预见，将来计算材料学必将有更加迅速的发展。另外，随着计算材料学的不断进步与成熟，材料的计算机模拟与设计已不仅仅是材料物理以及材料 计算理论学家的热门研究课题，更将成为一般材料研究人员的一个重要研究工具。由于模型与算法的成熟，通用软件的出现，使得材料计算的广泛应用成为现实。因此，计算材料学基础知识的掌握已成为现代材料工作者必备的 技能之一。 计算材料学涉及材料的各个方面，如不同层次的结构、各种性能等等，因此，有很多相应的计算方法。在进行材料计算时，首先要根据所要计算的对象、条件、要求等因素选择适当的方法。要想做好选择，必须了解材料计算方法的分类。目前，主要有两种分类方法：一是按理论模型和方法分类，二是按材料计算的特征空间尺寸(Characterist ic space scale)分类。材料的性能在很大程度上取决于材料的微结构，材料的用途不同，决定其性能的微结构尺度会有很大的差别。例如，对结构材料来说，影响其力学性能的结构尺度在微米以上，而对于电、光、磁等功能材料来说可能要小到纳米，甚至是电子结构。因此，计算材料学的研究对象的特征空间尺度从埃到米。时间是计算材料学的另一个重要的参量。对于不同的研究对象或计算方法，材料计算的时间尺度可从10-15秒（如分子动力学方法等）到年（如对于腐蚀、蠕变、疲劳等的模拟）。对于具有不同特征空间、时间尺度的研究对象，均有相应的材料计算方法。 目前常用的计算方法包括第一原理从头计算法，分子动力学方法，蒙特卡洛方法，有限元分析等。 计算材料学是目前材料科学中发展最快的科目。随着大量的论文发表和科研材料的科学家数量的快速增加，现在已有条件检验计算材料学对材料科学的影响。可以回顾以下计算机模拟在新材料的发展上起过什么作用，或许更重要的是，总结在材料性能的基础研究方面有哪些突破应该归公与计算机模拟。 有意思的是，人们对模拟方法的期望竟产会超过实际的结果，然而这些过高的期望往往更多来自非专业认识而不是那些正在做这些工作的饿人。如果问一个从事计算材料学的人关于现在使用的方法，他回非茶馆内谨慎地回答：尽管我们的方法很可靠，但仍需要大的发展。这些方法有欠缺并不奇怪，计算材料学只有几十年的历史。因此，我们在关注它现今的地位时，必须同样关注仿镇与建模的可靠性。这门年轻的学科，已经有诸多长足的发展，涉及到许多包含多种距离尺度的现象。 也许最原始的计算材料学是计算固体的电子结构。这些计算显然已经非常成功地表述了材料的结构和性质。现在，对于许多晶体材料，预计的点阵常数和实验值仅相差百分之几。最近的弹性常数计算方法得到了与实验值非常吻合的结果，而且实行起来也比实验容易得多。多体理论的发展，使得目前已能对简单半导体禁带宽度进行预测。 但是，基于这样一些成果，电子结构计算往往表述得似乎比实验值更精确。实际上，着些计算含有很多近似，而且很容易发生误导而得到错误的结论。此外，近似法限
计算材料学Fortran程序汇总
INTEGER M(1:10000), NUMBER1(0:364), NUMBER2 REAL X,Y ISEED=RTC() DO J=1, 10000 NUMBER1=0 X=RAN(ISEED) NUMBER1(0)=INT(365*X+1) JJJ=1 DO I=1,364 Y=RAN(ISEED) NUMBER2=INT(365*Y+1) ETR=COUNT(NUMBER1.EQ.NUMBER2) IF (ETR= =1) THEN EXIT ELSE JJJ=JJJ+1 M(J)=JJJ NUMBER1(I)=NUMBER2 END IF END DO END DO DO I=1,10000 IF(M(I).LE.23) SUM=SUM+1 END DO PRINT *,SUM/10000 END ================================================= Monte Carlo Simulation of One Dimensional Diffusion INTEGER X,XX(1:1000,1:1000) REAL XXM(1:1000) ! X:INSTANTANEOUS POSITION OF ATOM ! XX(J,I)：X*X ,J:第几天实验,I:第几步跳跃 ! XXM(I): THE MEAN OF XX WRITE(*,*) "实验天数JMAX，实验次数IMAX" READ(*,*) JMAX,IMAX ISEED=RTC() DO J=1,JMAX !第几天实验 X=0 !!! DO I=1,IMAX !第几步跳跃 RN=RAN(ISEED) IF(RN<0.5)THEN X=X+1 ELSE X=X-1 END IF XX(J,I)=X*X END DO END DO OPEN(1,FILE="C:\DIF1.DAT") DO I=1,IMAX XXM=0.0 XXM(I)=1.0*SUM(XX(1:JMAX,I))/JMAX !! WRITE(1,*) I, XXM(I) END DO CLOSE(1) END ============================================================ ! Monte Carlo Simulation of Two Dimensional Diffusion INTEGER X,Y,XY(1:1000,1:1000) REAL XYM(1:1000) ! X:INSTANTANEOUS POSITION OF ATOM ! XY(J,I)：X*Y ,J:第几天实验,I:第几步跳跃 ! XYM(I): THE MEAN OF XY WRITE(*,*) "实验天数JMAX，实验次数IMAX" READ(*,*) JMAX,IMAX ISEED=RTC() DO J=1,JMAX !第几天实验 X=0 !!! Y=0 !!! DO I=1,IMAX !第几步跳跃 RN=RAN(ISEED) IF(RN.LT.0.25)THEN x=x y=y-1 END IF IF(RN.LT.0.5.AND.RN.GE.0.25)THEN x=x y=y+1 END IF IF(RN.LT.0.75.AND.RN.GE.0.5)THEN
实验四：介观动力学模拟
《计算材料学》实验讲义粗粒度模拟 实验名称：介观动力学模拟 一、前言 1、介观模拟简介 长期以来，化学家致力于从分子水平研究物质及其变化，而化学工程工作者主要研究物质在宏观体系的行为，介观层次的化学正是联系微观及宏观的桥梁，是从分子到材料的必由之路，同生命过程也有密切的关联。 由于介观模拟能够模拟的空间尺度（纳米到微米）、时间尺度（纳秒到微妙）更大，应用介观模拟方法可以模拟更加复杂的体系，例如：高分子熔体，高分子稀溶液自组装，表面活性剂溶液自组装，磷脂膜等胶体化学，高分子，生物大分子相关的内容。 目前介观模拟的方法很多，例如耗散颗粒动力学模拟方法(dissipative particle dynamics，DPD)，它是根据Hoogerbrugge和Koelman提出的一种针对柔性(soft)球模型流体动力学的模拟，并通过引入粒子间的谐振动势，来模拟聚合物的性质；元胞动力学方法（CDS），基于重整化群理论，对时间相关的Ginzburg-Landau方程直接用数值计算的方法在离散空间上进行描述。其中单个元胞的演化通常用双曲正切函数表示；动态密度泛函方法（DDFT或MesoDyn），应用于高分子体系，建立在粗粒化高斯链模型的基础上，实际上是一个动态的自洽场方法，使用了朗之万方程（Langevin’s equation）来描述体系演化的动力学。 （1）MS-Mesocite简介 MS Mesocite是一个基于粗粒度模拟方法的、可以对广泛体系进行模拟研究的分子力学工具集，模拟的对象大小尺寸在纳米到微米尺度范围，相应地，模拟变化的时间范围落在纳秒至微秒区间。MS Mesocite的模拟对象遍及多种工业领域，比如复合材料、涂料、化妆品以及药物控缓释等，它可以提供流体在平衡态下、在有剪切力存在下以及其它受限制条件下的结构与动力学性质。MS Mesocite 的突出特点是使用完全区别于传统介观模拟技术，转而采用力场(Forcefield)方法—比如MS Martini力场—来描述粗粒度之间的相互作用，从而得到体系的结构、和动力学特性，分析函数主要有角度分布，密度分布，径向分布函数，二面角分布，均方根位移等。同时，您还可以使用力场编辑工具对MS Mesocite的力场进
计算材料学进展与趋势
计算材料学进展与趋势 计算材料学是近20年来，随着计算科学与技术的飞速发展，材料科学与物理、化学、数学、工程力学诸多学科相互交叉与渗透产生的一门新兴学科。计算材料学的内涵可以粗略概括为：根据材料科学和相关科学基本原理，通过模型化与计算实现对材料制备、加工、结构、性能和服役表现等参量或过程的定量描述，理解材料结构与性能和功能之间的关系，引导材料发现发明，缩短材料研制周期，降低材料过程成本。 根据研究对象的空间和时间尺度不同，材料计算的方法也有很大差别：研究材料的电子结构的方法有基于密度泛函理论的第一原理，常见的有计算固体材料的周期性体系的能带计算方法和孤立体系如分子簇方法，这些方法主要用于求解体系的基态电子结构和性质，近年来也发展了一些用以研究含时间的或激发态的电子结构方法。第一性原理方法由于直接基于基本的物理原理而不依赖于经验参数，因而具有很强的预测性，在未来合成材料之前先预测其可能的性质，因而对材料的设计具有很强的指导意义，近年其应用得到迅速发展，如金属中合金化效应的预测、金属间化合物中合金原子占据位置的预测、缺陷复合体的电子结构与性质的预测等，但由于其计算中考虑了电子的自由度，其运算量极大，所能研究的体系的尺度很小；在原子层次上研究材料行为常常采用原子力学或分子动力学方法，这些方法考虑原子间以一定的势函数相互作用，忽略了电子的自由度，可对更大的体系进行计算模拟，并可对静态或动态的原子机制提供了有效的途径；介观层次上对体系的模拟近年来有较快的发展，如合金中的相变微观组织演化过程可采用相场动力学或原胞自动化方法，这些方法使人们能够定量地描述不同过程中的组织变化的动力学规律，探索不同因素对微观组织形成的作用；宏观层次上的计算模拟常常采用有限元和有限差分方法，这些方法已经被广泛用语解决材料工程的实际问题，可为实际工艺的设计提供定量化的指导。对于不同的过程其发生的时间尺度也是迥然不同的，相应需要采用不同的模拟方法。对于许多材料的性质，常常由几个层次的结构来决定，因而近年来将不同方法结合起来的多尺度方法受到广泛的重视。关于近年来材料模拟的全面发展和具体研究方法可参考文献（YIP S(editor). Handbook of Materials ,New York: Springer,2005）。计算材料学的最终目标是实现新材料设计和材料制备与加工相关工艺的优化。 进展 美国 在关键材料集成设计基础研究方面，美国21世纪初启动了著名的“材料加速熟化”计划，组织了数十家产学研机构，选定喷气发动机用高温金属材料和飞机用先进复合材料两大目标，针对共性基础问题和难点问题，开展计算模拟与实验验证密切结合的集成设计与研制，其总目标是加速材料熟化，使新材料从启动研究到工程应用的周期缩短1/2，总成本降低1/3。该计划列出了需重点研究的材料集成设计相关基础问题，如1跨尺度计算模拟的关联方法；2金属—金属界面结构与物理性质及环境影响；3复杂合金体系中微观组织演化动力学4多晶体塑性与应力状态的动力学描述。 美国西北大学G.B.Olson等人采用多层次计算模拟方法，发展了由纳米晶粒计算直至结构性能预测的自下而上耦合程序，先后设计出性能优异的航天飞机轴承用耐热碳钢和新型高强度飞机起落架（OLSON G https://www.sodocs.net/doc/d515609051.html,putational design of
计算材料学与材料设计
贵金属 PRECIOUS METALS 1999年 第20卷 第4期 Vol.20 No.4 1999 计算材料学与材料设计 郭俊梅 邓德国 潘健生 胡明娟 摘 要 由于传统材料科学面临着研究对象的复杂性及新的实验手段和仪器难以满足研究条件等问题，计算材料学用于研究复杂材料和材料设计受到重视。本文针对材料研究的发展趋势，介绍了计算材料学的研究范畴及材料设计的基本思想。然后，介绍了用计算材料学进行材料设计的理论依据、研究方法、结构分析技术等相关内容。还列举了计算材料学的一些应用成果。 关键词 计算材料学，材料设计 分类号 TG113.14 Computer Materials Science and Materials Design Guo Junmei，Deng Deguo (Kunming Institute of Precious Metals,Kunming 650221,China) Pan Jiansheng，Hu Mingjuan (Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China) Abstract Science the traditional materials science faced with two difficulties,one is the complexity of researched objects,another is new experimental means and instruments are insufficient to meet the need of research,more and more researchers focus attention on using computer materials science(CMS)to study complex materials and to do materials design. Aiming at the development of materials research,we review the research category of CMS and the basic ideas of materials design,then,introduce the research foundations,methods and structural analysis etc.At last,we display some examples of applications. Keywords Computer materials science,Materials design 1 传统材料科学面临的问题 当今材料科学的发展面临着两大问题：①由于研究对象的复杂性，现有理论手段很难处理一些极为复杂的问题，求解1个比较复杂的分子的薛定谔方程都很难实现；②新的实验手段、仪器、设备虽然不断涌现，在一定范围内为实验研究提供了新方法。但大都极为昂贵，只为个别或少数拥有，研究的问题也极为有限。 当传统研究方法不能满足新材料制备的需求时，人们的目光转向理论辅助的材料设计。随着计算机技术的发展，计算材料学正成为材料研究领域的重要分支。除日益增多的流程参数的计算机控制外，通过计算机摸拟，深入研究材料的结构、组成及其在各物理、化学过程中微观变化机制以达到材料成份、结构及制备参数的最佳组合，即以材料设计为目的已成为材料科学发展的前沿热点，这是由于：①计算机可以模拟
计算材料学的现实重要性
计算材料学的现实重要性 【摘要】随着科学技术的发展，科学研究的体系越来越复杂，传统的解析推导 方法已不敷应用，甚至无能为力。计算机科学的发展和计算机运算能力的不断 提高，为复杂体系的研究提供了新的手段。计算材料科学的发展无论是在理论 上还是在实验上都使原有的材料研究手段得以极大的改观。它不仅使理论研究 从解析推导的束缚中解脱出来，而且使实验研究方法得到根本的改革，使其建 立在更加客观的基础上，更有利于从实验现象中揭示客观规律，证实客观规律。 【关键词】计算材料学、计算模拟、材料的及计算机设计、传统方法、计算机 应用 计算材料学，是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展 的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的 学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。 随着科学技术的发展，科学研究的体系越来越复杂，传统的解析推导方法 已不敷应用，甚至无能为力。计算机科学的发展和计算机运算能力的不断提高，为复杂体系的研究提供了新的手段。以材料这样一个典型的复杂体系为研究对 象的新学科—计算材料科学也应运而生，并迅速得到发展。 对于复杂体系，由于理论研究往往不能给出解析表达，或者即使能够给出 解析表达也常常不能求解，因此也就失去了对实验研究的指导意义。反之，失 去了理论指导的实验研究，也只能在原有的工作基础上，根据科研人员的经验 理解、分析与判断，在各种工艺条件下反复摸索，反复实验。之所以造成理论 研究和实验研究相互脱节的根本原因并不在于理论和实验本身，而是由于人们 为了追求能够全面而准确地反映客观实际，使理论模型变得十分复杂，无法直 接解析求解。 研究体系的复杂性表现在多个方面，从低自由度体系转变到多维自由度体系，从标量体系扩展到矢量、张量系统，从线性系统到非线性系统的研究都使解析方法失去了原有的威力。因此，借助于计算机进行计算与模拟恰恰成为 唯一可能的途径。复杂性是科学发展的必然结果，计算材料科学的产生和发展
高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学奖基本信
高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖 基本信息 项目名称：先进半导体材料的奇异结构相变和新奇量子特性 推荐单位：北京航空航天大学 项目简介： 项目成果属于计算材料学与半导体材料交叉学科。纳米结构半导体材料尺寸小、比表面大、工作响应时间往往在皮纳秒级，且性能受外场如应力和温度等的影响，因此，原位表征工作过程中的结构演化、探究奇异的量子效应、实现表面/界面电子结构的有效调控等是公认的具有挑战性的关键科学问题和技术难题。在国家杰青等项目支持下，项目基于第一原理计算和第一原理分子动力学模拟，克服实验困难，发展了原位分析结构相变的方法，预测了半导体材料的奇异结构相变与若干新奇量子特性，提出表面/界面电子-空穴对的有效分离方法，为发展高性能纳米器件奠定基础。重要科学发现点如下： 1、创立了半导体非晶结构的理论描述新方法，揭示了硫族相变材料(GST)的奇异非晶结构，提出GST非晶与晶相间的快速可逆相变的空位/孔洞新理论。该成果被约翰霍普金斯大学马恩教授PRL和PNAS文章评价为“非晶GST的重要特征”；“这种高密度非晶GST被孙等的模拟所预测”、“与岩盐结构的非晶GST不同，……，高压下非晶GST……，与常压下稳定的三角晶相具有类似特征”；被耶鲁大学Adv Mater实验证实“我们观察到相变存储器循环擦写中形成了纳米孔洞”；美国科学院院士杨培东Nano Lett工作用该成果“空位降低结构重排的能量势垒”解释其实验中晶体结构的稳定性。 2、揭示了低维半导体材料中的奇异量子效应，首次预测了超晶格拓扑绝缘体、一类新型大带隙量子自旋霍尔相和二维本征铁磁半金属，为发展超低功耗、高效率的自旋电子学器件提供理论基础。加州州立大学PRB工作强调其模型和结论与该成果完全一致；Adv Funct Mater 综述评价“…GST超晶格在电子工程学将有广阔的前景”；宾州大学ACS Nano工作指出其“模型预测的局域磁矩和输运性质与司等的完全一致”；2018引文桂冠奖得主Gogotsi教授Adv Mater和Nature Reviews Materials综述将该成果的大带隙量子自旋霍尔相和二维本征铁磁半金属作为先驱工作大篇幅介绍。 3、发展了纳米半导体材料表面/界面电子-空穴对的有效分离和能带结构的调控方法，包括构筑II型范德华异质结、表面修饰和应变工程，为设计高效率的光电子器件提供理论基础。王中林教授制备出该成果的II型范德华异质结，“用作压电场效应晶体管门电极并防止栅漏电流对器件的影响”；欧洲科学院院士Astruc教授、德国催化协会主席Muhler教授的综述分别高度评价该成果“指导了MXene在光催化领域的研究”、“在CO2光转换领域具有重要意义”;澳大利亚乔世璋教授Energy Environ Sci综述长篇幅介绍并强调该成果是本领域的首创工作。项目提出的理论预测和设计方案被实验证实和实现，理论模型和物理机制被用于解释实验现象和计算结果。多个创新成果处于国际领先水平，推动了先进半导体材料及器件的实验研究和理论探索。8篇代表性论文含2篇PRL、1篇PNAS、1篇Nano Lett，1篇ESI高被引论文，被Nature Reviews Materials, Chem Rev, Chem Soc Rev等82篇综述大篇幅介绍（多次引用原图），被SCI他引534，总他引644次；培养长江学者、国家杰青、国家万人计划、国家百千万人才各1人次。第一完成人为国家重点研发计划“材料基因工程”专项项目首席科学家。