计算材料学实验
计算材料学实验（燕友果）实验二：分子动力学模拟-水分子扩散系数
实验二：分子动力学模拟-水分子扩散系数一、前言分子动力学模拟的基本思想是将物质看成是原子和分子组成的粒子系统（many-body systems ），设置初始位能模型，通过分析粒子的受力状况，计算粒子的牛顿运动方程，得到粒子的空间运动轨迹，可以求得复杂体系的热力学参数以及结构和动力学性质。
分子动力学模拟的理论是统计力学中的各态历经假说(Ergodic Hypothesis)，即保守力学系统从任意初态开始运动，只要时间足够长，它将经过相空间能量曲面上的一切微观运动状态，系统力学量的系综平均等效力学量的时间平均，因此可以通过计算系综的经典运动方程来得到力学量的性质。
比如，由N 个粒子组成的系综的势能计算函数为：int U U U VDW += (1-1)VDW U 表示粒子内和粒子之间的Van der Waals 相互作用；int U 表示粒子的内部势能（键角弯曲能，键伸缩能、键扭转能等）；根据经典力学方程，系统中第i 个粒子的受力大小为：U k z j y i x U F i i i i i ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=-∇= (1-2) 那么第i 个粒子的加速度可以通过牛顿第二定律得到：()()ii i m t F t a = (1-3) 由于体系有初始位能，每个粒子有初始位置和速度，那么加速度对时间进行积分，速度对时间积分就可以获得各个任意时刻粒子的速度和位置： i i i a v dt d r dtd ==22 (1-4) t a v v i i i +=0 (1-5)20021t a t v r r i i i i ++= (1-6) i r 和v 分别是系统中粒子t 时刻的位置和速度，0i r 和0i v 分别是系统中粒子初始时刻的位置和速度。
依据各态历经假说，可获得任意物理量Q 的系综平均，因此得到体系的相关性质：()()[]dt t r Q t t Q Q t t ⎰∞→==01lim (1-7) 分子动力学模拟能够计算体系的能量，粒子间的相互作用，角动量，角度以及二面角分布，剪切粘度，结构参数，压力参数，热力学参数，弹性性质，动力学性质等。
实验指导书(一)-第一性原理方法计算
《计算材料学导论》实验指导书实验一：第一性原理方法计算模拟化合物的晶体结构和电子结构实验目的：1）近十年来，随着计算机技术和材料科学的发展，基于密度函数理论的第一性原理方法计算在材料科学中的应用十分普遍和活跃，发展异常迅速。
其应用领域涉及材料晶体结构优化，态密度和能带结构等电子结构，掺杂效应，相变热力学、光、电磁学性质的计算和设计。
量子化学计算软件包较多，如免费软件包ABINIT(详见教材), 商业化软件包V ASP, CASTEP，GAUSSIAN。
本实验运用VASP4.6软件包，计算AB型的ZnS或相似结构的晶体结构和电子结构。
实验要求：2）首先完成下列基础知识的问答填空，然后运用运用V ASP4.6软件包，计算AB型的ZnS或相似结构的晶体结构和电子结构，并画出图形。
实验内容:(一) 基础填空1) 简述第一性原理方法（或从头算）的基本概念。
（）2）简述第一性原理方法在材料科学中有哪些具体应用？（）3) 什么叫多粒子体系的总能？（）4) 什么叫能带结构？它是如何形成的？（）（二）第一性原理方法计算模拟AB型化合物（如ZnS）的晶体结构和电子结构。
1.ZnS具有多种晶形，如闪锌矿结构(The Zincblende (B3) Structure)和纤锌矿结构（The Wurtzite (B4)Structure）,与之结构相同的化合物还有很多，不少化合物具有独特的光电特性。
请根据计算指南和模板，计算ZnS或者ZnO, SiC, AlN, CdSe，AgI, AlAs, AlP, AlSb, BAs, BN, BP, BeS, BeSe, BeTe, CdS,CdSe,CdTe, CuBr, CuCl, CuF, CuI, GaAs, GaP, GaSb, HgS, HgSe, HgTe, INAs, InP, MnS, MnSe, SiC, ZnSe, ZnTe)的晶体结构（含晶胞参数a,b,c,V，原子位置的可变内部参数），电子结构(含态密度（含总态密度，分态密度）和能带结构。
大学计算材料学教案
大学计算材料学教案《计算材料学》教案一、教学目标1.掌握计算材料学的基础理论和方法，了解计算材料学的发展历程和前沿研究领域。
2.能够运用计算材料学的理论和方法，对材料进行结构设计、特性预测和性能优化等方面的研究和开发工作。
3.学会使用计算机和软件对材料进行模拟仿真和实验数据分析，能够编写和调试计算程序和算法。
二、教学内容1.计算材料学的概念和基本原理(1)计算材料学的定义和发展历程。
(2)量子力学、能带论和密度泛函理论等基础理论。
(3)分子动力学、蒙特卡罗模拟等材料计算方法。
2.计算材料学在材料设计与性能预测中的应用(1)材料结构的计算设计和材料特性的预测。
(2)固体缺陷和界面的计算模拟。
(3)新材料的计算设计、合成和性能优化。
(4)材料在界面、表面和纳米尺度下的行为和性能计算。
3.计算材料学的实验数据分析和验证(1)材料实验数据的统计分析和处理。
(2)材料实验和计算结果的对比和验证。
(3)材料计算方法的精度评估和发展方向。
4.计算工具和软件环境(1)计算机及其相关技术。
(2)主流材料计算软件和工具的使用和编写。
(3)计算平台的配置和优化。
三、教学方法本课程采用传统讲授和案例分析相结合的教学方法，通过理论讲解、案例演示、实验操作等方式，加强理论和实践的结合，增强学生对计算材料学掌握和应用的能力。
四、教学要点1.了解计算材料学的基本原理和方法，掌握计算材料学的发展历程。
2.熟悉量子力学、能带论和密度泛函理论等基础理论，掌握分子动力学、蒙特卡罗模拟等计算方法。
3.掌握材料结构的计算设计和材料特性的预测，能够研究固体缺陷和界面的计算模拟。
4.能够进行新材料的计算设计、合成和性能优化，了解材料在界面、表面和纳米尺度下的行为和性能计算。
5.熟悉材料实验数据的统计分析和处理，能够对材料实验和计算结果进行对比和验证。
6.掌握计算工具和软件环境，了解主流材料计算软件和工具的使用和编写。
五、实验安排1.材料性能和结构的计算和模拟。
计算机在材料科学与工程中的应用75465
学生实验报告书实验课程名称计算机在材料科学与工程中的应用第一部分：实验分析与设计一、实验内容描述1、了解方差分析原理，掌握实验数据方差分析方法。
2、分析运算结果，对实验结果作出正确解释、二、实验基本原理与设计方差分析(Analysis of Variance，简称ANOVA)，又称“变异数分析”或“F检验”，是R.A.Fisher发明的，用于两个及两个以上样本均数差别的显著性检验。
由于各种因素的影响，研究所得的数据呈现波动状。
造成波动的原因可分成两类，一是不可控的随机因素，另一是研究中施加的对结果形成影响的可控因素。
方差分析试验是是数据的一种统计方法在工农业生产和科学研究中经常要分析各种因素之间的交互作用对研究对象某些指标的影响。
在方差分析中，把实验数据的总波动分为由所考虑因素所引起的波动和随机因素引起的波动，然后通过分析比较这些变差来分析哪些因素对指标的影响是显著的，哪些是不显著的。
双因素有交互效应的方差分析：在两个因素的试验中，不单每一个因素对结果有影响，两个因素的不同水平相组合对结果也会产生影响。
在方差分析中叫做交互效应。
三、主要仪器设备及耗材计算机一台，origin软件第二部分：实验调试与结果分析一、调试过程在7个不同的实验室对某材料的铬质量分数进行测量，每个实验室测量了6次，测量结果列入表5-1。
试通过方差分析探讨不同实验室因素对测量结果是否有显著性影响。
表5-1测量次数实验室1 实验室2 实验室3 实验室4 实验室5 实验室6 实验室71 2.065 2.073 2.080 2.097 2.053 2.084 2.0522 2.081 2.081 2.090 2.109 2.055 2.044 2.0613 2.081 2.077 2.070 2.073 2.050 2.084 2.0734 2.064 2.050 2.080 2.089 2.059 2.076 2.0365 2.107 2.077 2.090 2.097 2.053 2.093 2.0486 2.077 2.077 2.100 2.097 2.061 2.073 2.040 拟用origin软件进行双因素方差分析该组数据。
计算材料学作业
计算材料学作业用第一原理预测AIAs的晶格参数⏹本实例主要是阐明在Materials Studio当中如何运用量子力学来测定物质的晶体结构。
你将从中学到如何构建晶体结构以及如何设置CASTEP几何优化运行和分析结果。
⏹本实例的内容如下：1. 构建AlAs的晶体结构2. 设置和运行CASTEP中的计算3. 分析结果4. 比较实验数据和结构1. 构建AlAs的晶体结构空间群是F-43mAl的分数坐标：(0 0 0）(1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) （0 1/2 1/2）As的分数坐标：(3/4 3/4 3/4）(1/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 1/4) （3/4 1/4 1/4）⏹为了构建晶体结构，我们需要知道你想要构建的晶体的空间群信息，晶格参数以及它的内部坐标。
以AlAs为例，它的空间群是F-43m或空间群数字是216。
它有两种基本元素Al和As ，其分数坐标分别为（0 0 0）和（0.25 0.25 0.25）。
它的晶格参数为5.6622埃。
⏹第一步是构建晶格。
在Project explorer的跟目录上右键单击，选中New | 3D Atomistic Document。
接着在3D Atomistic Document右键单击，把它更名为AlAs。
从菜单中选择Build | Crystals | Build Crystal，然后显示出Build Crystal对话框，如下：在Enter group中选择F-43m或在Enter group中单击，然后键入216，再按下TAB键.(空间群信息框中的信息也随着F-43m空间群的信息而发生变化)选择Lattice Parameters标签，把a的数值从10.00改为5.662。
单击Build按钮。
一个没有原子的晶格就在3D model document中显示出来。
点击图中凹陷的图标，可旋转晶格，显示其立体结构。
从菜单栏中选择Build | Add Atoms。
计算机在材料科学中的应用上机实验三
计算机在材料科学中的应用上机实验三一、材料析晶温度范围的图解方法析晶：玻璃工业中称玻璃态物质转变为结晶物质的过程。
通常利用梯温炉来测定玻璃态材料的析晶温度。
确定析晶温度范围的方法：①人工将试样结晶点与“炉长—温度”曲线对照：试样放在瓷舟中，先将梯温炉加热到规定温度后放入瓷舟保温，保温结束，将瓷舟迅速取出，稍冷，观察玻璃态物质表面结晶情况。
高温段，晶体消失处为析晶上限，低温段，晶体不生长处为析晶下限，用笔在瓷舟周边做出析晶上、下限的标记炉口距析晶上、下限的距离。
做出“炉长—温度”曲线，将瓷舟排列在梯温曲线图上，以瓷舟上的析晶上、下限标记点作垂线，使之与梯温曲线相交，再从交点作水平线与纵轴相交，即得析晶温度范围。
②计算机计算：实验找出炉口距析晶上、下限的距离，做出“炉长—温度”曲线，通过添加趋势线拟合梯温曲线，求出曲线方程，将炉口距析晶上、下限的距离值带入方程，计算出析晶温度范围。
（1）数据的输入以1cm的长度间隔测定“炉长—炉温”曲线，共测定40cm炉长的温度，即有40对测定数据。
采用行输入方式。
本例中，炉口至析晶下限的距离为14.8cm，炉口距析晶上限的距离为29.1cm。
（2）梯温曲线的绘制①选择两行数据。
②单击“图表向导”按钮。
③图表类型：【标准类型】“XY散点图”，【子图表类型】“散点图”。
④单击“完成”。
（3）曲线图的修改①删除图例：选中图例，右键，“清除”。
②修改横坐标的刻度：选中X轴，右键，“坐标轴格式”，【刻度】，“最大值(X)”由“60”→“50” ，“主要刻度单位(A)”由“20”→“10” 。
③修改纵坐标的刻度：选中Y轴，右键，“坐标轴格式”，【刻度】，“最小值(N)”由“0”→“400”，“最大值(X)”由“1400”→“1200”，“主要刻度单位(A)”由“200”→“100” 。
④添加图表、坐标轴标题：选中图形，右键，“图表选项”。
【标题】“图表标题(T) ” ：梯温曲线图（姓名）；“数值(X)轴”：炉长/ cm；“数值(Y)轴”：温度/ ℃。
计算机在材料科学中的应用实验报告一
在Origin的左侧有一列“Tools”绘图工具按钮，主要功能包括屏幕控制、数据读取和绘图等。
（二）XRD分析软件
常用的XRD分析软件有：Pcpdgwin、High score、Jade。
Jade 5.0软件的主要功能：
1、基本功能
a、BG扣衬底（去掉Kα）、平滑、寻峰、多重记录；
C单峰检索：在计算峰面积的基础上点击S/M
⑥图谱拟合：扣除背景线、平滑处理后点击Fit Profile
四、问题讨论
1、实验中关于截屏一般用windows自带的print screen sysrq。但是它截得图是全图，使用一些其它软件截图会更加的方便如QQ截图；
2、再输入一些特殊字符时使用搜狗带的软键盘会很方便的；
图一
图二
图三
图四
图五
图六
（二）XRD数据分析及图谱处理
①用Tool bar→BG扣除背景和Kα2线的扣除
②用Smooth All按钮对图形进行平滑处理
③analyze→find peaks→apply标出峰值；用Peak Edit Cursor去掉不要的峰（图a）；选择analyze→find peaks。点击Report打开寻峰报告(图b)。
4、定量分析功能
RIR定量、内标法、外标法、标准添加法。
三、实验内容与结果
（一）Origin软件的使用
①按实验书输入实验数据；②作图一：导出浓度—粒径平滑曲线图；③作图二：导出双纵坐标曲线图;④作图三;在输入的图表中将单位改成103μm，导出图形；⑤作图四：双击图二，在弹出的对话框将图层一的细节改为“Dash;图形标记为★；加双坐标垂线；线型为线型Dot；⑥作图五：作3D图形；⑦作图六;将所有釉裂点改成红色，变横纵标增量为0.5，纵坐标增量为100.
计算材料学_Ising模型实验报告
Monte Carlo实验报告一、项目名称：Ising 模型二、项目内容概要1、编译和运行进入实验的文件夹：cd□~/sourcecode/2D_Ising文件夹里有源代码mc2d.f和输入文件in.2d阅读理解并编辑输入文件：gedit□in.2d之后编译mc2d.ff95 mc2d.f -o mc2d.exe运行可执行文件./mc2d.exe查看刚刚生成的四个输出文件，四个文件的内容如下：file1.out：温度；时间；单位原子能量；单位原子磁化强度file2.out：温度；单位原子能量；能量变化；单位原子磁化强度；磁化强度变化；单位原子热容file3.out：温度；自旋构型file4.out：温度；能量升高而被接受的数目；能量下降而被接受的数目；被拒绝的数目2、gnuplot 作图作温度与能量图：p “file2.out”u 1:2 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第2 列数据；作温度与磁化强度图：p “file2.out”u 1:4 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第4 列数据作温度与热容图：p “file2.out”u 1:6 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第6 列数据三、项目实施方法/原理1925 年，伊辛提出描写铁磁体的简化模型：设有N 个自旋组成的d 维晶格(d=1,2,3)，第i 格点自旋为Si=±1(i=1,2,…N; ±代表上下)。
只考虑最近邻作用，相互作用能为±J(J>0 为铁磁性, J<0 为反铁磁性)，平行为-J，反平行为J。
伊辛模型的蒙特卡洛模拟基本步骤如下：四、项目实施结果：1.各种情况下能量温度曲线能量温度 能量能量温度/K能量铁磁正方形点阵温度和能量曲线 铁磁三角形点阵能量与温度曲线能量温度/K能量温度/K反铁磁性正方形点阵能量温度曲线 反铁磁性正方形点阵外场为1时能量温度曲线能量能量/K势能温度/K反铁磁性正方形点阵外场为0.5时能量温度曲线2.各种情况下磁化强度和温度的关系曲线磁化强度温度/K磁化强度温度/K铁磁正方形点阵磁化强度能量曲线 铁磁三角形点阵磁化强度温度曲线磁化强度温度/K磁化强度温度/K磁化强度-温度反铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线 反铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线（外场为0.5）磁化强度温度/K磁化强度温度/K反铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线（外场为1） 铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线（外场为0.5）磁化强度温度/K铁磁性正方形点阵磁化强度温度曲线（外场为0.5）4.各种情况下热容和温度的关系图热容温度/K热容温度/K铁磁正方形点阵热容能量曲线铁磁三角形点阵热容能量曲线能量温度热容温度/K反铁磁正方形点阵热容能量曲线反铁磁正方形点阵热容能量曲线（外场为1）热容温度/K热容温度/K反铁磁正方形点阵热容能量曲线（外场为0.5） 铁磁正方形点阵热容能量曲线（外场为0.5）热容温度/K铁磁正方形点阵热容能量曲线（外场为1）五、项目小结：1.在保持原参数不变的情况下，可以得出，温度越高，原子热运动越剧烈，因此单个原子的能量也就越高。
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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5.642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。