1、材料設計與計算方法 李鴻 2015年秋季基礎背景晶體結構，固體物理，能帶理論第一性原理計算 Kohn-Sham方程：整理課件課程內容第一章 材料與計算方法概述第二章 晶體的結構與分類第三章 材料的物理性質第四章 第一性原理方法第五章 應用實例 整理課件課程目標學會如何搜集材料的信息，能利用一款材料計算軟件Material Studio構建晶體材料結構，并利用其中模塊CASTEP（或DMOL）計算一些晶體的基本性質。整理課件參考教材計算凝聚態物理納米材料設計 鐘建新著 湘潭大學出版社 2010現代材料計算與設計教材 吳興惠 項金鐘著 電子工業出版社 2002固體物理學（重排本） 黃昆著 北京大學

2、出版社 2014材料物理導論（第三版）熊兆賢著 科學出版社 2012材料物理 李志林著 化學工業出版社 2009另外，請充分利用baidu，google，論壇，圖書館，等等。整理課件考查方法平時作業 ：40 分 4次，每次10分期末考核：60 分整理課件第一章 材料與計算方法概述 思考看到一種材料，最關注的是什么？整理課件組成結構性能 功能 可能應用生產實用思考看到一種材料，最關注的是什么？整理課件組成結構性能 功能 可能應用生產實用材料設計三個主要環節：采用理論計算的方法預測新物質新材料的電子態、晶體結構、物性等；建立數據庫，并利用數據庫導出半經驗定律；利用擴展系統，預測具有特殊功能的物質組

3、成、原子空間排布等。整理課件這是一個“實驗-數據庫的更新-計算機模擬-實驗合成新材料”的無限循環。從計算到實驗的材料設計過程：思考看到一種材料，最關注的是什么？整理課件組成結構性能 功能 可能應用生產實用材料設計整理課件從實驗到生產的材料設計：大體上說，理論計算設計出原材料；實驗生產出原材料；工廠利用原材料設計。材料設計從廣義上來說，材料設計可以按研究對象的空間尺度不同分為三個層次：工程設計層次，尺度對應于宏觀材料，涉及大塊材料的加工和使用性能的設計研究；連續模型層次，典型尺度在1m的量級，這時材料被看成連續介質，不考慮其中單個原子、分子的行為；微觀設計層次，空間尺度在約1nm的量級，是原子、

4、電子層次的材料設計。整理課件本課程內容材料設計材料設計：通過理論與計算預報新材料的組分、結構與性能，或者說，通過理論設計來“訂做”具有特定性能的新材料。整理課件組成結構功能隨著理論基礎的完善與計算機的飛速發展，利用計算機進行結構模擬與功能預測已經在多個領域成為現實。研究材料前的準備工作了解材料了解材料的發展了解材料的分類選定一種材料，了解相關知識查找一個材料的結構，相關性能，目前研究的進展時刻關注最新的成果了解計算方法第一性原理計算分子動力學蒙特卡洛方法，等等整理課件材料的發展材料發展的歷史從生產力的側面反映了人類社會發展的文明史 石器時代，陶器時代，青銅時代， 鐵器時代， 鋼鐵時代 原始社會

5、 奴隸社會 封建社會整理課件資本主義社會主義材料的發展近年來，材料進入了迅猛發展的時代，各種新型人工合成材料應時、應運而出。 對材料要求：更輕，更強，更優異的性能，更經濟，等等。整理課件研究材料前的準備工作了解材料了解材料的發展了解材料的分類選定一種材料，了解相關知識查找一個材料的結構，相關性能，目前研究的進展時刻關注最新的成果了解計算方法第一性原理計算分子動力學蒙特卡洛方法，等等整理課件材料分類從結構對稱性上分：晶體 ，非晶體從尺度上分：納米，塊材從維度上分：0，1，2，3維按材料性能分：力熱電光磁按材料的導電性分：金屬材料，半導體材料，絕緣材料按是否含C分類：有機材料，無機材料按成分和特性

6、分類：金屬材料，陶瓷材料，高分子材料， 復合材料按用途分類：結構材料，功能材料按功能分類：光敏材料，熱敏材料等等整理課件研究材料前的準備工作了解材料了解材料的發展了解材料的分類選定一種材料，了解相關知識查找一個材料的結構，相關性能，目前研究的進展時刻關注最新的成果了解計算方法第一性原理計算分子動力學蒙特卡洛方法，等等整理課件納米材料簡介納米材料：是指在三維空間中至少有一個維度處于納米尺度范圍內(1-100 nm)的材料或者由它們作為基本單元的材料。1nm=10-9 m原子半徑 0.1 nm納米材料的尺寸接近于電子的相干長度，電子的性質因為強相干會發生很大的變化；另外由于尺度在納米量級，必然存在

7、大量的表面原子，導致特殊的表面效應。納米材料在電學、磁性、熱學、光學等方面的性質，可能完全不同于該物質對應塊體所表現出來的性質。整理課件納米材料簡介整理課件態密度納米材料的基本性質一般來講，只要體系尺度處于納米量級，那么它將具有以下特征：小尺寸效應自組裝效應表面效應量子尺寸效應宏觀量子隧穿效應整理課件小尺寸效應整理課件由于納米材料尺寸減小而引起的體系在力學、光學、電學、磁學、熱學等方面宏觀物理性質的變化的現象。性質不一定是單調變化的。重構現象：對于較小的納米顆粒，增加一個原子就可能使結構整體上發生變化；另外對于尺寸較小的納米線或納米薄膜，由于其表面原子存在懸掛鍵，也會出現表面重構現象。自組裝效

8、應整理課件原子、分子、分子團簇等主動排列成有序的實體而不需要人為介入。如：在Si襯底上通過分子束外延技術自組裝生長Ge量子點；用電弧放電法或化學氣相沉積法，使碳原子自組裝成兩端封閉的管狀結構。表面效應整理課件納米體系的表面粒子與總粒子數之比隨著體系尺寸的減小而大幅度增加，從而導致表面能增加，引起納米體系的結構和性質發生顯著變化。表面原子由于配位數不足，存在大量的懸掛鍵，出現很多活性中心，表面臺階和粗糙度增加，表現出非化學平衡、非整數配位的化學價，容易與其它原子、分子相結合，因而有較高的表面化學活性。量子尺寸效應整理課件當顆粒尺寸減小到某一臨界值時，費米能級附近的電子能級由準連續態轉變為離散態的

9、現象宏觀量子隧穿效應整理課件微觀粒子具有貫穿勢壘的能力，稱為隧穿效應。而一些納米材料的宏觀量，如納米團簇的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧穿效應，稱為宏觀量子隧穿效應。納米材料的實驗制備固相法高能球磨法超微氣流粉碎法液相法均相沉淀法溶膠-凝膠法噴霧法氣相法氣體冷凝法化學氣相沉積法物理氣相沉積法整理課件研究材料前的準備工作了解材料了解材料的發展了解材料的分類選定一種材料，了解相關知識查找一個材料的結構，相關性能，目前研究的進展時刻關注最新的成果了解計算方法第一性原理計算分子動力學蒙特卡洛方法，等等整理課件材料數據庫數據的獲取，信息的存儲，知識的認知之間存在鴻溝整理課件材料數據庫介紹一款

10、開放的晶體結構數據庫：COD整理課件從這20種文獻中得到的，結構不是很全( )b有機，無機晶體皆有材料數據庫以查找ZnO（常溫下兩種結構）結構為例：整理課件請多方位的查找數據：數據庫，文獻，詢問前輩14條記錄，1種結構34條記錄，4種結構付費版，98條記錄，？種結構無機晶體數據庫研究材料前的準備工作了解材料了解材料的發展了解材料的分類選定一種材料，了解相關知識查找一個材料的結構，相關性能，目前研究的進展時刻關注最新的成果了解計算方法第一性原理計算分子動力學蒙特卡洛方法，等等整理課件及時地查找文獻（baidu,google 學術,圖書館，等等）查找文獻比較Baidu學術，google學術，學校圖

11、書館中的sci檢索整理課件查找文獻找到了萬-55萬的文獻 盡量輸入足夠多的信息，以減少文獻數。另外，為防止漏掉文獻，請查看文獻中引用的相關文獻，還有時刻關注引它的文獻。整理課件研究材料前的準備工作了解材料了解材料的發展了解材料的分類選定一種材料，了解相關知識查找一個材料的結構，相關性能，目前研究的進展時刻關注最新的成果了解計算方法第一性原理計算分子動力學蒙特卡洛方法，等等整理課件第一性原理計算不依賴于經驗參數，直接求解材料的最基本的量子力學方程；一種精確的材料預測和評估方法，可以預測材料的結構及光學、電學、磁性等方面的性質。整理課件研究材料前的準備工作了解材料了解材料的發展了解材料的分類選定一種材料，了解相關知識查找一個材料的結構，相關性能，目前研究的進展時刻關注最新的成果了解計算方法第一性原理計算分子動力學蒙特卡洛方法，等等整理課件分子動力學以經典粒子（原子、分子、離子）為研究對象，按照粒子間的相互作用勢，通過求解各個粒子的運動方程，獲得不同時刻粒子的空間位置和運動狀態，從而統計出體系宏觀行為特性；可提供微觀結構、運動狀態以及它們和體系宏觀特性之間關系的清晰的物理圖像。整理課件研究材料前的準備工作了解材料了解材料的發展了解材料的分類