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1、计算机在材料科学与工程中的应用实验一、第一性原理计算1. 实验目的(1) 掌握第一性原理和密度泛涵的计算方法；(2) 学会使用 Visualizer 的各种建模和可视化工具；(3) 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：H = T + U + V其中动能
2、项为：t = f dr屮北)屮(r)库仑作用项为：u = 1 f drdr-屮+ (r)屮+ (r刘(r (r)2r - r |V为对所有粒子均相同的局域势u(r)表示的外场影响：V=J dru (r)屮+ (r)屮(r)粒子数密度函数为:P (r片(r )屮(r)对于给定的u(r)，能量泛函Ep定义为：Ep=jdro(r)p(小T+U；Fp=eT+uIo系统基态的能量:eg =,0 It+u 0 + ；V 0】 =Eg P =F p +f dro (r) p (r ) Eg Q = Fp + f dru(r)p(r)=EGp3. 实验内容实验 1. 材料的电子结构计算；4. 实验设备和仪器(
3、1) 硬件：多台 PC 机和一台高性能计算服务器。(2)软件：主要利用 Materials studio 软件包里的 MaterialVisualizer 和 CASTEP 模块。5. 实验步骤5.1建立所研究材料的结构模型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 | Impor t,进入st ruc tures/ nano tubes文件夹FjIe i Edit ViewModily B-uildNew Prejert.囱| Save Pr-ojectCtrl+N cvi+oD New.UJ轴电Cv
4、l+$Kllnnport.r.Import: URL.EwpOrt.Page Setup., D Print.Ctrl+PRecent Files-Recenj Projects bdtAlt+F4话 Jirl DxWuirriri1!二14 世日廉改日硏iH 蚯旳F的JI EjtJEplet砌I.甘11/30範和1理t. Stmcturei24)11/11/2ia：M1catalysts/heterogeneous，选择文件 TiCl3。胡 Impart Document1rue3匸庄cj魁卜*$ceramics2011/11/9 lhl3JDU/IU5 11:13inetal-cxidi-
5、42011711/9 1113.m-eta IsMli/llyS ll：13mi neralsT.m otscular-c rysta ts2011/11J9 IL13.fjAoiu：b-es201U1179 III?A护1“加 11/11/9 LL13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 选择 Setup 项，将 Task 项设置为 Geometry Optimization, 标准设为Fine,厠 CAST
6、EP CalculationSstup Eledrunicl Properties： Jub Control LTgk：fieociwby OimizatiQii QQualityFunctionaltSpin pokrizd后 Use rrDspfn ss initialMe1aRunI ni问钿忙|0匚 kiarige：Files.d1HelpCell项前打钩，关闭对话框。nf CASTEP CalculationSetup | Elecliciic j Pioperlies Job CoeTask:| SeorrEetiy Optnuzateon 二|Quefitp:,Fine点击此对话
7、框中的More按钮，在Op ti mize述 匚ASTEP Ganntry OptimizationMinrcizer | Options StressConvergerics toleianc&FinctionsuaHy:Enetgji：p U $c forrtijlSpin polarized|3Iritis spin:Lhargs:Max. 5lic55iMm?.曲间xmcni:ileration* Dpt nee celB加祜死tfoi vaiible cell：ComdeEsibiily-Hard 3 选择Job Con trol按钮，点击此对话框中的More按钮，设置Gat ewa
8、y，选择在本机计算还是在服务器 上计算。舗CASTEP CakulationSetupPropertiesJob Conttol ：|3location:Myj ComputsEQuue：2Job desciipiion:17 AutomaticRun in prallet on iprocessesRuntime opdmbzatx*n: i Default j*J-Return connphte check hieMote.RunFites,.Help 选择Proper ties按钮实验1.在Density of states和选项前打钩。Setup | Efectfockic ；. Pf
9、operbej Job Conttol Core level specUosccpy“ Density of statesEleclron density difFerenceElec Iron locakion Lrtction ： jNMABand slruclureBand structureEmpty b 誹 d$：|l21k何网ser| MediumMore.RsFiles,.Kelp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在Project Explorer工作栏内，双击.castep文件，将其激活。!till hunt id rt“e -；门畳宜捣内吝
10、游：1趕i 讥；亡；叨:；.1 lrLl箜折T 一咿妁厂全宇匹那方向取消1厂送分大小百艦）厂向上 &酥it aKQter |vhIlm-%G.1 EUK-Dunita;1殆E/iafi 1 1a.li=7?!S-nM I川1畑FImk 1ZrUI?S-Q |J.CflDD(reE-J(Jf |1皿哉站 IF.U4SdIE-0(K |LKDNM-aa3 |AI Ttr刘审11鞠12盟7噬I15.WP00C-a42 |-1GPn1讼-|w釦UCARTER GeomOpl Irdi CASTEf G#a rnOpt li alpha casTef Gccmt ridS-3Iphj -匚厶Ids日民n
11、 TiCU-tlph-i-irtii TiCI S-主lph EriergFeajcc driCailph龙 Convergeritr fiCI 5-fl-lph ajrtdTil3-Iph-aipdrmirielTIG 铀fldph 兀&05 卫MiinnTiCI $即 lphg_E)OS丄丽 wpTiCl 3-lphji DOS.xcd 3-alpha.xd在菜单栏中选择 Edit | Find 键入 completed successfully 查找到此文字，找到后向上几行，有一个两行的 表格，如果两行显示都为“yes”，说明计算正常结束。否则要继续进行运算。I4E7ion|M27T15
12、-Q0SI1, QQflQ(JE-(Q5IIIFlnu|盒 4朋】T旺-曲皆Iit OOD0C-41O2II| 探I*出I5.7131-005II, OOMJOOE-003II耗ut|1.I QDD-3O0E5.3 计算结果分析在计算结果文件夹中激活.xsd文件在工具栏中选择CASTEP工具，然后选择Analysis，选择Electron density项，按下Import按钮,I Electron denHp dffeienceEfa:tron denslyR 販I虐 tie:J iCCalphaXdiepDtfgly field- | Totcfensilp |v View i$ounfe on mpatSi/e I densily to Hit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;CA$TgP DenptyofSutKDensity ofState$(eiecttons/eV)total
计算机在材料科学与工程中的应用实验报告
