MS计算模拟实验报告.docx

固体结构及电子态计算模拟实验报告一、实验目的 通过实际操作初步地了解和掌握Materials Studio，特别是其中的Dmol3和Castep模块的工作原理和操作步骤。通过学习Materials Studio软件，能够自己独立地进行简单的固体结构模型的构造和相关电子结构的计算和分析。二、实验原理 第一性原理的理论计算的主要理论基础是量子力学的基本方程和相对论效应，在第一性原理的发展过程中，相继提出了变分原理、泡利不相容原理、Hartree-Fock近似、Slater矩阵、关联相互能、密度泛函理论以及含时密度泛函理论等。其基本思路就是它的基本思想是将多原子构成的实际体系理解为由电子和原子核组成的多粒子系统，运用量子力学等基本的物理原理最大限度地对问题进行“非经验”处理。密度泛函理论现在已经成为计算凝聚态物理的重要理论基础，并被广泛应用于原子、分子、团簇、固体和表面的几何结构和电子结构的计算。 随着计算机的高速发展，使得计算物理成为可能。依靠高性能计算机强大的计算能力，市场上研发出了很多基于第一性原理计算（尤其是密度泛函理论方法）的软件包。其中最具代表性的就是Materials studio。其模块中的Dmol3程序是一个先进的密度泛函框架下的量子力学程序，它不仅可以模拟固体、表面、低维体系，而且能够模拟气相和液相。它可以计算体系的能量，能带结构，态密度，磁性等。三、实验主要步骤 建立石英晶体： 选择P3221空间群； 确定晶格参数； 加入Si和O原子，确定相关参数； AlAs半导体能带结构及相关计算 导入AlAs半导体结构，并选择单胞； 在Dmol3模块中选择Calculation，设置能带结构计算的相关参数； 计算完毕，选中得到的*.xsd文件； 在Dmol3没款中选择analysis，选择Band structure后点击View，得到能带图； 同理可以计算AlAs的电子态密度、电子密度等。 四、数据分析及实验结果展示 图为石英晶体，其中黄色+是硅原子，红色+是氧原子。 如图是Materials studio 7 中系统自带的石英晶体的空间结构。发现跟之前做的略有差别，结构图中还包含了Si-O键，其中各个原子在空间上的位置与上图是一一对应的。 为了画出系统自带石英晶体空间结构图的效果，需要对图形做一些修饰。右击背景选择Display Style 可以对atom和lattice的样式作出修改。 在菜单build中选择bond，画出Si-O键后，与系统自带的标准图就十分相似了。 左图是AlAs空间结构图；右图是AlAs在单胞中的空间结构图。 如图，是通过Dmol3模块计算得到的AlAs能带结构（纵坐标的能量单位是Hartree，1Hartree=27.2eV）。从图中可以看出AlAs的价带顶和导带底之间存在一定宽度的能隙，宽度大约为0.1Ha（2.2eV），能隙宽度正好是半导体材料范围，所以从能带中可以看出AlAs材料是一种半导体。 如图，是通过Dmol3模块计算得到的AlAs电子态密度图。电子态密度图在-0.4-0.35Ha之间有一个峰，在0-0.1Ha有个谷，基本上和能带结构相吻合。 如图，是通过Dmol3计算得到的电子密度图。五、体会和评论 Materials studio作为一个成熟的商业化科研软件，的确非常好用，大量的图形界面便于初学者快速上手。因为研究方向相近（分子动力学模拟）的缘故，平时也经常需要进行大量运算，所用的软件为Gromacs和NAMD。由于都是开源软件，其使用起来就没有那么方便，都需要在Linux系统下通过命令行来完成任务，图形显示也需要借助第三方软件才能完成。分子动力学模拟的理论基础是牛顿第三定律为中心的经典力学，研究原子之间的相互作用，整个体系通常会包含几千甚至几万个原子。而第一性原理计量是基于量子力学，虽然研究的体系相对小，但是计算量也非常大，对于较为复杂的系统单单依靠PC端是无法完成的，所以特别了解了下，Materials studio也有Linux系统下的版本，支持多核多节点运算。 分子动力学模拟在生物领域也有很大的应用，可以模拟多肽、蛋白质、甚至一段DNA。随着纳米材料的兴起，生物大分子与纳米材料相互作用，也成为一个热门领域。可以借助Materials studio强大的建模模块，构造出想要的纳米材料，再讲生成的纳米材料参数输入分子动力学模拟软件，两款软件可以配合使用。