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

1.AlAs晶体结构

AlAs空间群是F-43m，它的晶格参数为5.6622埃，依照步骤对AlAs晶体计算。

计算后优化的3D视图的晶胞以及其电子密度等能面如下图所示：

半导体（AlAs晶胞）的能态密度和能带结构图如下：

从以上的图中可以看出，上方区域的线条表示的是导带，下方区域的线条表示价带，中间空白区域是禁带。禁带宽度在半导体范围内，这表明AlAs晶体具有半导体的性质。在态密度曲线图中，虚线表示的是费米能级。

能带图显示的是在布里渊区中K矢量沿着高对称性方向上的电子能量依赖度。一个原子的一个原子轨道在一维周期条件下将产生一条能带，能带的带宽取决于这些原子轨道的在周期方向上的成键强度，强度越大，带宽越大，成键越弱，带宽越小。

介电函数与频率的关系曲线如下图所示：

能量变化、最大位移量、最大内力、最大应力的收敛变化规律如下图所示：

从上图的吸收度和频率关系可以看出，先迅速增长再逐步下降，主要形成一个峰值。

2.NaCl晶体结构

NaCl空间群是225-FM3M，它的晶格参数为5.2埃，依照步骤对NaCl晶体计算。

计算后优化的3D视图的晶胞以及其电子密度等能面如下图所示：

Nacl晶胞的能态密度和能带结构图如下：

图中上方区域的线条表示导带，下方区域的线条表示价带，中间空白区是禁带。态密度曲线中，虚线为费米能级。能看出NaCl的禁带宽度很大。能带的分析与上AsAl相同可以参考以上的分析，此处不再赘述了。

介电函数与频率的关系曲线如下图所示：

能量变化、最大位移量、最大内力、最大应力的收敛变化规律如下图所示：

从上图的吸收度和频率关系可以看出，先迅速增长再逐步下降，主要形成两个峰值，再吸收度较低是形成两个相对较小的峰值。

六、实验总结

此次实验是第一次接触Material Studio(MS)软件，初步学习和掌握了MS软件的各个模块的功能，并利用MS对构造的晶体结构模型进行计算和分析。当然，这一堂课只是一个初步的了解和学习，还要继续发现学习其余更为有用的功能。

相对于之前学习的Gaussian软件，MS的操作相对更为复杂，但是由于这个软件构建模型更为直观和细致，所以对此产生了很大的研究兴趣和乐趣。总而言之此次课堂学习的是一个全新的更富有乐趣的一个计算软件。