材料计算设计基础实验指导书.doc

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1、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

2、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(1)硬件：多台PC机和一台高性能计算服务器。(2)软件：主

3、要利用Materialsstudio软件包里的MaterialsVisualizer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

4、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

5、Symmetry

6、PrimitiveCell将模型设置为原胞形式。5.2设置并运行量子

7、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GeometryOptimization，标准设为Fine,点击此对话框中的More按钮，在OptimizeCell项前打钩，关闭对话框。②选择JobControl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Densityofstates和选项前打钩。实验2.在Bandstructure选项前打钩。实验3.不选择任

8、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ProjectExplorer工作栏内,双击.castep文件，将其激活。②在菜单栏中选择Edit

9、Find键入completedsuccessfully 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ElasticConstants，点击对话框中的More按钮，设置每次

10、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Electrondensity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densityofstates项，按下View按钮；实验2.打开CASTEP的Analysis对话框，选择Bandstructure项，按下View按钮；实验3.打开CASTEP的Analysis对话框，选择ElasticCons

11、tants项，将CASTEPCij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

12、二、基于分子力场的分子力学和分子动力学计算1.实验目的:（1）掌握分子力学和分子动力学的模拟方法；（2）学会使用Visualizer的各种建模和可视化工具；（3）熟悉Forcite模块的功能。2.实验原理：Hψ(R,r)=Eψ(R,r)……………………...…..Schrödinger方程基于“Born-Oppenheimer”近似，可以将原子运动的Schrödinger方程，分别表示为电子和核运动的Schröd