计算材料学
计算材料学
计算材料学
《计算材料学》是一门新兴的学科，它研究系统地利用庞大的计算资源，根据材料物理学和化学原理，开展基础研究和应用研究。
在这里，我们将介绍计算材料学的研究方法，包括基础模拟、机器学习、数据挖掘和智能计算等。
计算材料学主要发展了三种模拟方法：基础模拟、机器学习和数据挖掘。
基础模拟是根据材料的物理和化学的基础原理，建立数学模型，以解决材料的结构、力学性能等问题，并得出结构-性能关系的计算方法。
机器学习可以探索从实验数据中获取的材料特性，并以此为基础建立合适的模型来预测新材料的性能。
数据挖掘可以以多个角度对大量材料数据进行分析，以更有效的方式找出有效的材料功能。
智能计算是计算材料学的另一个分支，它旨在基于计算机程序和机器学习算法，实现材料的设计。
智能计算的方法可以运用于各种材料的计算，从而更快更准确地确定最优的材料结构和性能。
《计算材料学》的研究主要集中在材料设计、制造、表征和模拟等领域，旨在通过应用计算机科学和材料科学，发展和评价新材料和新技术。
计算材料学能够以数据驱动方式来改善材料研究，帮助制造出质量更高、性能更好、功能更强的材料，为经济发展带来巨大红利。
计算材料学的应用涵盖了材料研究的方方面面，包括但不限于现代能源技术、节能环保技术和新型材料技术等。
计算材料学的技术也可以用于传统的材料领域，如航空航天、汽车和原电池等，以实现产品创新和技术进步。
近年来，计算材料学的发展取得了很大的成就，极大地推动了材料科学和技术的进步，提升了材料创新和应用的水平。
未来，计算材料学将继续发展，它可以为材料科学和工程提供更为深入的研究和应用，推动材料科技的进步，为科学发展和应用做出贡献。
计算材料学的进展及其应用
计算材料学的进展及其应用计算材料学是一门交叉学科，它将计算机科学、物理学、化学和材料科学融为一体，以计算机模拟和计算为手段，探索材料的性质和行为规律。
随着计算机技术的不断发展，计算材料学已经成为现代材料科学的重要分支之一。
本文将从计算材料学的基本理论、方法和工具入手，介绍计算材料学的进展及其应用。
一、计算材料学的基本理论计算材料学的基本理论是材料原子结构与其宏观性能之间的内在联系。
材料的宏观性质由其原子结构所决定，即原子与原子之间的相互作用决定了材料的物理性质，而原子的结构和能量则由它们之间的化学键和局部环境所决定。
因此，计算材料学的核心任务就是建立原子模型和分子动力学模拟方法，研究材料的结构稳定性、力学性质、电子性质和热力学性质等各方面的特征。
二、计算材料学的方法和工具计算材料学的方法主要包括从头算方法和经验势函数方法。
从头算方法是一种基于量子力学原理的计算方法，它通过解决薛定谔方程来研究材料的性质和行为规律。
经验势函数方法是一种基于实验数据和经验规律的计算方法，它通过拟合材料的原子间势能和电子结构来模拟材料的性质。
这两种方法各有优缺点，可以根据具体问题选择使用。
计算材料学的工具主要包括量子化学软件、分子动力学软件和先进计算机设备。
量子化学软件可以用于模拟材料的电子结构和光电响应性质；分子动力学软件可以用于模拟材料的结构和动力学行为；先进计算机设备则可以提供大规模计算和高精度模拟的支持。
三、计算材料学的应用计算材料学已经在多个领域展现出了广泛应用价值。
下面列举几个典型应用案例。
1. 材料发现与设计。
计算材料学可以用于预测新材料的结构、稳定性和性质，辅助材料的发现与设计。
例如，通过基于密度泛函理论的材料计算，可以预测出新型能量储存材料的性质，进一步为新能源领域的技术研发提供指引。
2. 材料性能优化。
计算材料学可以用于研究材料的性能与结构之间的关系，发现结构优化方案，提高材料的性能。
例如通过模拟和优化材料缺陷，可以提高半导体材料的导电性和光电性能。
计算材料学概述之蒙特卡洛方法详解课件
组合优化方法
针对组合优化问题，通过随机搜索和迭代优 化求解。
分子动力学模拟中的蒙特卡洛方法
01
分子动力学模拟是一种基于物理 模型的模拟方法，通过蒙特卡洛 方法可以模拟分子间的相互作用 和运动轨迹。
02
蒙特卡洛方法在分子动力学模拟 中主要用于求解势能面和分子运 动轨迹，通过随机抽样和迭代优 化实现分子运动状态的模拟。
重要性
随着科技的发展，计算材料学已成为 材料科学研究中不可或缺的工具，有 助于加速新材料的发现和优化现有材 料的性能。
计算材料学的主要研究方法
分子动力学模拟
01
基于原子或分子的动力学行为，模拟材料的微观结构和动态性
质。
蒙特卡洛方法
02
通过随机抽样和概率统计方法研究材料的宏观性质和相变行为
。
密度泛函理论
蒙特卡洛方法可以与分子动力学模拟结合，实现更精确的原子尺 度模拟。
元胞自动机
蒙特卡洛方法可以与元胞自动机结合，模拟复杂系统的演化过程。
有限元分析
蒙特卡洛方法可以与有限元分析结合，实现更高效的数值计算。
蒙特卡洛方法在材料设计中的应用前景
新材料发现
蒙特卡洛方法可用于预测新材料性能，加速新材料发现和开发进 程。
总结词
通过蒙特卡洛方法模拟复合材料的界面行为，包括界面润湿性、粘附力和传质过程等。
详细描述
利用蒙特卡洛方法模拟复合材料的界面行为，分析不同组分间的相互作用和界面结构， 预测材料的界面润湿性、粘附力和传质过程等性能，为复合材料的制备和应用提供理论
依据和技术支持。
蒙特卡洛方法的发
05
展趋势与展望
蒙特卡洛方法的未来发展方向
计算统计量
根据模型和抽样结 果，计算所需的统 计量或系统参数。
计算材料学专业
计算材料学专业
计算材料学是一门结合了材料科学、物理学、计算机科学和数学等多个学科的交叉专业。
它主要通过计算机模拟和计算的方法，研究材料的结构、性能、制备工艺以及它们之间的关系。
计算材料学专业的学生需要掌握扎实的数学和物理基础知识，同时还需要学习计算机编程和数值计算方法，以能够运用计算机模拟软件对材料进行分析和预测。
该专业的研究内容包括材料的原子和分子结构、晶体生长、材料的热力学和动力学性质、材料的缺陷和相变等。
在实际应用中，计算材料学可以帮助材料科学家和工程师在实验之前预测材料的性能，从而缩短研发周期、降低成本。
它还可以用于设计新型材料、优化材料的制备工艺、解决材料使用过程中出现的问题等。
计算材料学专业的毕业生在材料科学、工程、化学、物理等领域都有广泛的就业机会。
他们可以从事材料研发、工艺优化、模拟计算、数据分析等工作，也可以在科研机构、高校、企业等单位从事相关的研究和教学工作。
随着计算机技术的不断发展和材料科学的日益复杂，计算材料学的重要性也越来越凸显。
它为材料科学的研究和发展提供了一种高效、准确的手段，将在新材料的开发和应用中发挥越来越重要的作用。
计算材料学-14-1
2.
M.I. Eremets, V.V. Struzhkin, H.K. Mao, R.J. Hemley, Science 293: 272-274 (2001).
27
材料模拟的重要性－解释相变机制
Two typical reason of pressure-induced metallization 1. Structural transition from low coordination insulator to a high coordination metallic phase (e.g., Si, Ge) Band overlap due to the increased interatomic interactions with pressure (e.g., I)
25
材料模拟的重要性－预言新的结构相
Phys. Rev. B60, 14177(1999). (理论预言)
Germanium Clathrate
A. M. Guloy, et al., Nature 443, 320 (2006). (实验合成)
26
材料模拟的重要性－解释相变机制
1. Boron (in β-phase) transforms from a nonmetal to a metal (superconductor) at about 160 GPa. The critical temperature of the transition increases from 6 K at 175 GPa to 11.2 K at 250 GPa.
Gerbrand Ceder, “COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE: Predicting Properties from Scratch”, Science, Vol 280, Issue 5366, 1099-1100 , 15 May 1998
计算材料学
Gradient Corrected Methods
Gradient Corrected or Generalized Gradient Approximation (GGA): 泛函不仅决定 于电子密度，还决定于电子密度的梯度。
交换项 Perdew and Wang (PW86): 修正 LSDA 的泛函形式：加入高阶项。
局域密度近似
• 局域密度近似最早是由Kohn W和Sham L.J提出来的，这是一种既简单可行而又很 有效的近似，其基本思想是在局域密度近 似中，利用均匀电子气密度函数来获得非 均匀电子气的交换关联泛函。 • 交换关联能可以写为式
E xc [ ] dr ( r ) xc [ ( r )]
绝热近似
• 波恩(Born M)和奥本海默(Oppenheimer J.E) 提出了绝热近似，根据这种近似，可 以将原子核运动和电子的运动分开。通过 绝热近似，可以获得多电子的薛定谔方程
H (r, R) E (r, R)
H
H H e H N H e N
电子作 用项 原子核 作用项 电子和原子核 相互作用项
计算材料学
杨振华
第一性原理计算方法
•
第一性原理方法是一种理想的研究方法，物理学家常 称第一性原理方法，化学家常称为“从头算”，但是 本质都是一样的。就是从材料的电子结构出发，应用 量子力学理论，只借助于普朗克常数h、电子的静止 质量m0、电子电量e、光速c和波尔兹曼常数k这五个 基本的物理常量，以及某些合理的近似而进行计算。 这种计算不需要任何其他可调的(经验的或拟合的)参 数就可以如实地求解材料的一些基本物理性能参数。 通过求解多粒子系统总能量的办法来分析体系的电子 结构和原子核构型的关系，从而确定系统的性质 。
00-计算材料学概论
2.2.5 状态方程
状态方程是与路径无关的函数。把物性与态变量的实际取 值联系起来(参见表2.2)，诸如电阻、屈服应力、自由焓等。
从头分子动力学和蒙特卡罗方法---------原子级别微结构的
行为
（材料物理）
有限元方法----------大尺度结构问题 （材料科学机械工程）
平均本构定律
计算材料学的研究对象跨度巨大。
第一章 引言
模型的时间空间跨度大，在集成不同尺度的模型过程中有 两种近似的方法。
顺序集成法（串联） 通过对空间和时间的离散化，采用非平均化方法在相对恰 当的较小尺度模拟推知本构定律，应用于下一个尺度。随 着模型尺度的增加唯象特征逐渐增加。
计算材料学
第一章 引言
Performance
Compositure
现代材料研究从某种意义上来说就是对微结构的研究。
第一章 引言
微结构，是指横跨埃到米的空间尺度上所有热力 学非平衡态晶格缺陷的集合。
空间尺度：几个埃～几米。 时间尺度: ps ～几年。 材料的研究目标之一：确定宏观性能与微观结构
之间的关系。 关键：确定和描述材料的晶格缺陷，以及晶格缺
陷的静态和动态特性。
第一章 引言
微结构的演变方向由热力学判断，而微结构实际 的演变路径则由动力学原理决定。热力学非平衡 机制会给出各种可能的、复杂的微结构。研究表 明，这样的微结构不是平衡态，而是处于远离平 衡的状态。正是这些非平衡状态，使得材料显示 出各种独特性质。
计算材料学
计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。
它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。
计算材料学- 学科介绍计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。
它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。
计算材料学主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。
前者使材料研究不是停留在实验结果和定性的讨论上，而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性，有助于原始性创新，可以大大提高研究效率。
因此，计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。
计算材料学- 研究领域材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研究的四大要素，传统的材料研究以实验室研究为主，是一门实验科学。
但是，随着对材料性能的要求不断的提高，材料学研究对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至要研究到电子层次。
因此，材料研究越来越依赖于高端的测试技术，研究难度和成本也越来越高。
另外，服役性能在材料研究中越来越受到重视，服役性能的研究就是要研究材料与服役环境的相互作用及其对材料性能的影响。
随着材料应用环境的日益复杂化，材料服役性能的实验室研究也变得越来越困难。
总之，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代新材料研究和发展的要求。
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摘要：本文通过第一性原理方法，从理论角度研究掺杂 ZnO 的电子结构（包括能带结构、电子态密度）。
氧化锌（ZnO）是一种有着广泛的应用前景的宽带隙半导体材料，属 II-VI 族,在光电和压电等方面有着优越的价值。
在室温下禁带宽度为 3.37eV，束缚激子能高达60meV。
关键词：ZnO 第一性原理能带结构态密度
ZnO 是一种有着十分广泛的应用前景宽带隙半导体材料。
ZnO 有三种晶体结构，如图 1（a）、（b）、（c）分别是纤锌矿结构、闪锌矿结构、岩盐矿结构。
自然条件下以四配位纤锌矿结构存在—低压稳定相。
闪锌矿结构可以在立方基底上生长获得，而岩盐矿结构通过对纤锌矿加压，在压力大于 9GPa 条件下得到。
究人员通过大量的实验发现：纤锌矿结构的 ZnO 是性质最稳定的一种宽禁带氧化物半导体材料之一。
（a）（b）（c）
图1 ZnO 有三种晶体结构
1 模型构建与计算方法
1.1 模型构建
理想ZnO 是六方纤锌矿结构, 属于P63/mc 空间群, 对称性为C6v-4, 晶格常数
a=b=0.3249 nm, c=0.5206 nm, α= β = 90°, γ=120°. 其中c/a 为1.602, 较之理想六角密堆积结构的1.633 稍小. c 轴方向的Zn—O 键长为0.1992 nm, 其他方向为0.1973 nm,其晶胞由氧的六角密堆积和锌的六角密堆积反向套构而成.计算选用 2×2×2 的 ZnO 超晶胞，由 8 个 ZnO 单胞组成，共包含 32 个原子。
如图2所示
图2 ZnO的结构模型（正视图和俯视图）
1.2 计算方法
文中所有的计算工作均由MS 软件中的Castep软件包完成. Castep 软件是一个基于密
度泛函方法的从头算量子力学程序: 利用总能量平面波赝势方法, 将粒子势用赝势替代,电子波函数用平面波基组展开, 电子-电子相互作用的交换和相关势由局域密度近似(LDA)或广义梯度近似(GGA)进行校正, 它是目前较为准确的电子结构计算的理论方法。
2 计算结果与讨论
2.1 ZnO的能带结构和态密度
如图3和图4所示,结构优化后对ZnO的能带结构、总态密度进行了计算,得到了ZnO 的带隙值为3.3eV,与文献中计算出的带隙值3.4eV相似,设:费米能级(Ef)是0。
图3 ZnO的能带结构
图4 ZnO的总态密度
由图可知,ZnO理论预测是一种直接宽禁带半导体材料,导带底和价带顶都位于布里渊区中心Γ点处,自然条件下Zno是“单极性”n型半导体材料`,计算结果与用其它理论方法计算的结果相符。
从图中可以看出,ZnO的价带基本上可以分为三个区域,即-6.5eV～-4.0eV的下价带、-4.0eV～0.0eV的上价带区,以及位于-18eV处的宽度为0.95eV的价带。
显然,ZnO上价带区主要是由O2p态形成的而下价带区则主要是Zn3d态贡献的;对于由02S态贡献的在-18eV处的价带部分,与其它两个价带之间的相互作用较弱,对ZnO整体的性质影响不大。
导带部分,其主要来源于Zn4s态的贡献,且电子具有明显的从Zn4s态到O2p态的跃迁过程,引起氧位置处的局域态密度的引力中心向低能级方向移动,表明理想Zno是一个离子性较强而共价键较弱的混合键金属氧化物半导体材料。
尽管采用了广义梯度近似和局域密度近似,但计算的带隙值(Eg=-1.9eV和1.4eV)仍然偏低。
这主要是由于局域密度近似和广义梯度近似都存在E:计算值偏低的普遍性问题。
对ZnO晶体而言主要是计算中过高地估计了Zn3d的能量,造成Zn3d与O2P相互作用的增大,结果使价带带宽增大,带隙偏低。
但这并不影响对ZnO电子结构的理论分析,尤其是对于Γ点处的能带结构与以前的理论和实验值完全符合,从图中可以看出价带顶发生了三重简并,能量由高到低按Γ7、Γ8、Γ9顺序排列,而导带为Γ7。
从计算的能带图3可以看出ZnO是一种直接宽禁带半导体,导带底和价带顶位Brillouln区的F 点处,带隙为-1.9eV和1.4eV,与实验值的相对误差在35%左右,较其它理论计算的误差值小。
对于来源于Zn3d态的下价带部分能级变化非常缓慢,而0P2贡献的上价带部分相对于导带却比较平滑,因此价带空穴具有大的有效质量,这或许是造成ZnO晶体p型掺杂困难最主要原因之一。
由态密度图可以看出,下价带区主要是Zn3d电子态,上价带区主要是O2P电子态;对于由O2S电子态贡献的在一18eV处的价带部分,由于与其它两个价带之间的相互作用较弱,本文将不做过多讨论。
ZnO的导带部分由Zn4s电子态4p电子态和O2P电子态贡献,其中Zn4s电子态的贡献较大,特别在价带底部,主要由Zn4s电子态贡献。
Zn、O的最外层电子分别集中于导带底和价带顶,表明理想ZnO是一个离子性较强而共价键较弱的混合键金属氧化物半导体材料。
3 结论
1)本文采用密度泛函理论GGA 的超软赝势能带计算方法, 研究了纤锌矿ZnO 。
分析了N 掺杂ZnO 晶体的能带结构、电子态密度。
2）计算和分析结果表明,ZnO是一种直接宽禁带半导体材料，带隙值为3.3eV，理想ZnO是一个离子性较强而共价键较弱的混合键金属氧化物半导体材料。
参考文献
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