计算材料学 之 材料设计、计算及模拟
模拟计算在材料科学中的应用
模拟计算在材料科学中的应用材料科学是一门非常重要的学科，它涉及到多个领域和应用，包括电子、能源、航空、建筑、医疗等等。
随着科技的进步和计算机技术的发展，越来越多的学者和科研人员意识到了计算方法的重要性，其中就包括模拟计算。
模拟计算是指利用计算机对物理、化学、材料等科学现象进行数字模拟和仿真，以便更好地理解其本质和特性。
在材料科学中，模拟计算的应用非常广泛，本文将对其进行探讨。
1. 从宏观到微观：材料的结构与性质材料的性质与其结构密切相关，而结构又决定了材料的性能。
因此，了解材料的结构与性质之间的关系是材料科学的基础和核心。
传统的实验方法能够提供一些直观的信息，如材料的外观、重量、硬度等，但却无法深入到内部的微观结构。
模拟计算可以填补这一空缺，通过计算/模拟得到材料的内在结构和性质，从而更好地理解材料的行为和性能。
在材料科学中，模拟计算的应用非常广泛，其中最主要的一种方法是分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation）。
该方法基于牛顿力学和统计力学原理，以“原子”或“分子”为单位进行模拟，可以模拟出材料的微观结构和性质。
例如，通过模拟可以得到材料的晶体结构、原子间的距离、键长和角度等信息，可以研究材料在不同温度和压力下的变化、扭曲、拉伸等行为，并得到应力、应变、热膨胀系数等材料的力学性质。
此外，还有多尺度模拟方法（Multi-scale simulation method），它可以从宏观到微观多个尺度上进行模拟，在不同尺度上研究材料性质的变化规律。
这些方法可以通过建立材料结构的精确数学模型，再利用数值计算方法模拟数学模型来研究材料的性质和性能。
2. 材料研发的辅助工具在材料研发中，模拟计算可以成为一种非常有效的辅助工具。
传统的材料研发通常需要耗费大量的时间和精力进行实验制备和测试，而模拟计算则可以提供更为快捷、灵活的方法。
一种典型的应用就是材料的预测性能。
在实验制备之前，可以通过预测性能得到初步的研究数据。
材料计算与模拟
不固定坐标
POTCAR
赝势文件夹下包含五个文件夹： pot：PP，LDA paw：PAW pot_gga：PP，GGA paw_gga：PAW，GGA，PW91 paw_pbe：PAW，GGA，PBE
KPOINTS-描述
KPOINTS-手动输入
Mind：一般不建议使用手动格式的KPOINTS
Write flags LWAVE = .TURE. LCHARG = .TURE.
能带计算
要点
Example
1. 将自恰得到的电荷文件 CHG*拷贝到能带计算的 文件夹中作为初始文件
2. KPOINTS文件使用Line 模式
INCAR
SYSTEM = Si Start parameter for this run: NWRITE = 2 PREC = medium ISTART = 1; ICHARG = 11 ISPIN = 2 ENCUT = 400
KPOINTS-自动生成
不提倡 用于六方晶系
KPOINTS-Line模式
KPOINTS-测试
测试脚本
要求掌握的
1. 结构弛豫 2. 自恰计算 3. 能带（Band Structure）计算 4. 态密度（Density of States）计算
结构弛豫
要点
1. 设置电子步 参数和精度
2. 设置粒子步 参数和精度
分子动力学(damped molecular dynamics)
5. 晶格动力学性质
- 声子谱等
6. 磁性
- 共线和非共线性磁性 - 自旋轨道耦合
7. 光学性质
- RPA和TD-DFT计算介电张量
VASP相关文件
VASP相关文件
计算材料学中的纳米材料计算设计
计算材料学中的纳米材料计算设计随着现代科技的不断发展，计算材料学得到了广泛的发展和应用。
计算材料学是指基于计算机科学和计算技术，运用理论计算和模拟方法，研究材料结构、材料性质和材料行为的一种新兴学科。
其中，纳米材料的计算设计更是引起了人们的极大兴趣。
纳米材料是代表未来发展方向的一种全新材料，具有极为广阔的应用前景。
纳米材料的特点主要表现在其尺寸上，具有很多迥异于宏观材料的优异性能，如高比表面积、高催化活性、高光学传感性能等等。
由于在纳米尺度下，材料的结构和性质会发生显著变化，因此，纳米材料的计算设计显得尤为重要。
纳米材料计算设计的目的，主要是为了模拟、预测和评估纳米材料的性能与应用，以便通过计算得出更加实用、合理的设计方案。
计算材料学中的标准设计流程为：确定问题和目标、模拟材料的结构与性质、评估设计方案的优化性能，并进行实验验证。
纳米材料的计算设计需要考虑很多方面，如化学成分、晶体结构、物理形态、应力分布、电子结构等。
具体的计算设计方法，可以运用分子动力学模拟、密度泛函理论、量子化学计算等方法来进行。
其中，密度泛函理论是非常常见的一种方法。
该方法主要基于电子结构理论，从微观角度出发，来对材料的物理性质进行研究。
密度泛函理论将整个晶体看作一个整体，将其电子分布密度作为描述用的基本量。
它认为体系的电子密度分布，反映了体系中全部电子的概率密度，并且体系的详细电子状态可以用电荷密度确定。
特别的，该理论通过基态电子密度来表征材料的性质，从而减少了计算成本和复杂性，具有很高的可靠性。
随着计算机模拟技术的不断发展，密度泛函理论的计算精度和速度也得到了明显的提高。
如今，其已成为准确预测纳米材料结构和性质的核心方法之一。
其优势在于可以通过计算来确定理化性质参数，如能带结构、形状、大小和扭曲等，得出高精度的结构优化与能带分析。
在纳米材料计算设计中，需要深入研究材料特殊的物理化学性质，如化学反应中的活性位点、催化反应的速度、能带结构的变化等。
计算材料学之材料设计、计算及模拟
03
基于连续介质力学原理，通过建立材料的本构方程和边界条件，
研究材料的弹塑性行为和性能。
材料热学性能模拟
热传导模型
通过建立材料的热传导方程和边 界条件，研究材料的热传导性能 和行为。
分子动力学模拟
通过模拟原子或分子的运动轨迹， 研究材料在微观尺度上的热学性 能和行为。
热力学模型
基于热力学原理，通过建立材料 的热力学方程和状态方程，研究 材料的热力学性能和行为。
VS
详细描述
第一性原理计算通过求解薛定谔方程，能 够准确地预测材料的电子结构和化学性质 ，如键能、键角、电荷转移等。该方法广 泛应用于材料科学、化学、生物学等领域 。
03
材料计算模拟技术
材料电子结构计算
密度泛函理论
基于量子力学原理，通过求解薛定谔方程得到材 料的电子结构和性质。
分子动力学模拟
通过模拟原子或分子的运动轨迹，研究材料在微 观尺度上的动态行为和性质。
材料光学性能模拟
01
02Βιβλιοθήκη 03光吸收模拟通过建立材料的光吸收模 型和边界条件，研究材料 的光吸收性能和行为。
光学散射模拟
通过建立材料的光学散射 模型和边界条件，研究材 料的光学散射性能和行为。
光电效应模拟
通过建立材料的光电效应 模型和边界条件，研究材 料的光电效应性能和行为。
04
材料设计、计算及模拟的应用案例
02
跨学科交叉研究有助于解决复杂 问题，如生物医学材料、光电器 件等，推动相关领域的技术创新 和应用。
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高性能金属材料的优化设计
总结词
通过计算模拟技术，优化高性能金属材料的微观结构和性能，提高其强度、韧性、耐腐蚀性和高温稳 定性。
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。
计算力学中的材料模拟
计算力学中的材料模拟材料模拟是计算力学中的重要分支，其主要任务是利用计算机模拟材料在不同条件下的物理性质和化学反应过程，从而预测材料在实际应用中的性能表现。
这种方法已经得到了广泛的应用，对于加速材料设计和开发具有重要意义。
材料模拟基础材料模拟的基础是材料的原子结构、分子结构以及晶体结构。
在材料模拟中，通常会使用能量泛函理论（DFT）来计算材料光电、热力学、力学、磁学等性质。
通过分子动力学模拟（MD）或蒙特卡罗模拟（MC）等方法，可以模拟材料的结构和动态过程，预测材料的物理性质和化学反应。
在材料模拟中，还需要建立材料的力学模型和热力学模型，进行力学和热力学分析。
材料模拟方法1. 基于第一原理计算的材料模拟DFT是现代材料模拟的重要工具之一，它通过计算材料的电子密度分布、能量、原子和分子的结构和相互作用等，预测材料的物理性质和化学反应。
DFT的计算方法具有很强的理论基础，可以高效地预测材料的各种性质。
常见的DFT软件包有VASP、ABINIT、Quantum Espresso等。
2. 分子动力学模拟MD模拟是一种将原子和分子作为带电粒子进行计算的方法。
MD模拟可以模拟材料的结构和动态过程，比如材料的热膨胀系数、热导率、比热容、杨氏模量等物理性质。
常见的MD软件包有LAMMPS、GROMACS、DL_POLY等。
3. 蒙特卡罗模拟MC模拟是一种基于统计力学的方法，可以模拟凝聚态材料的力学、热力学、结构和动力学过程。
MC模拟通过建立材料的统计模型，利用随机抽样的方法模拟材料的结构和性质。
常见的MC 软件包有VASP-MC、CASTEP-MC等。
材料模拟应用1. 预测材料性能材料模拟可以通过计算材料的物理性质和化学反应，预测材料的性能。
比如，通过计算材料的受力变形响应，可以预测材料的强度和韧性；通过计算材料的导热性能，可以预测材料的热导率；通过计算材料的电子结构和电子密度分布，可以预测材料的电导率和光学性质。
计算材料学建模
计算材料学建模
材料学建模是一个复杂的过程，它需要考虑到材料的成分、结构、性
质等多个因素，因此涉及到的计算方法也是多种多样的。
以下是几个常用的计算方法：
1.第一原理计算：利用量子力学原理和电子结构计算方法，计算材料
的电子结构和物理性质。
这种计算方法需要高性能计算机和复杂的软件支持，通常用于研究材料的基本物理性质、电子结构和化学反应等。
2.分子动力学模拟：建立分子模型，通过计算分子之间的相互作用力
和运动轨迹，模拟材料的结构和性质。
这种计算方法通常用于研究聚合物、蛋白质等大分子材料的结构和动态性质。
3.有限元分析：将材料结构分成若干小单元，并对每个小单元进行力
学分析，从而计算材料的应力、应变分布和变形行为。
这种计算方法通常
用于研究材料的力学性质和工程应用。
4.统计建模：利用已知数据和统计方法，建立材料的数学模型，从而
预测材料性质和性能。
这种计算方法通常用于数据分析和机器学习等领域。
总的来说，材料学建模涉及到多个学科的知识和技术，需要综合运用
多种计算方法来解决不同的问题。
材料科学中的模拟与设计
材料科学中的模拟与设计材料科学是一门研究材料性质及其应用的学科，而模拟与设计是其重要组成部分。
模拟与设计的目的在于利用先进的计算机科学和材料科学技术，开发新材料以及改进已有材料的性能，以满足人类对特定材料需求的需求。
现代材料科学的发展离不开模拟与设计的支持，下面将从模拟与设计在材料科学中的应用和发展历程两方面进行探讨。
一、模拟在材料科学中的应用模拟的概念是指基于数学模型和计算机方法，模拟真实环境中材料的行为和性能。
在材料科学中，模拟可以帮助研究人员通过计算机程序来模拟各种材料在极端条件下的行为，比如高温、高压、强辐照等。
这种模拟方法可以大大减少实验中的时间和金钱成本，掌握材料的基本原理和行为规律。
其中，分子动力学模拟（MD）是材料科学中常用的一种模拟方法。
分子动力学通过考虑材料中每个原子或分子的运动来研究材料性质。
这种方法可以研究材料晶格的变形性质、材料的力学性能、材料的热力学性质等。
另外，有限元法（FEA）也是模拟较常用的一种方法。
有限元分析通常用于研究结构材料，如金属和塑料，而不是分子和原子级别模拟，FEA可以预测材料部件的各种性能，比如力学、电磁、声学、热力学特性等。
二、设计在材料科学中的应用设计可以帮助人们在开发新材料时，更好地掌握材料的结构、组成和性能之间的关系。
这种方法通常被称为“材料基因组学”。
目前，许多公司和研究机构都使用该方法来寻找更好的材料。
该方法的思想是制定一个模型，该模型可以用于预测和快速评估新材料的性质。
基于此，材料科学家可以评估新材料的可行性和实现性，并为制造这种材料的方法和工具提供指导。
例如，为了提高太阳能电池的效率，材料科学家应用设计进行了相关研究。
他们设计出了一种四十层厚的薄膜结构，该薄膜结构利用太阳能将光转化成电能。
材料科学家使用计算流体力学模拟了这个薄膜阵列，以研究其吸收能力，最终提高了太阳能电池的效率。
除了材料基因组学，另一个应用广泛的设计方法是分子设计。
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空间尺度
纳观 原子层次 微观 小于晶粒尺寸 介观 晶粒尺寸大小 宏观 宏观试样尺寸
时间尺度
原子振动频率 宏观时间尺度
精品文档
19
空间尺度
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20
精品文档
21
聚合物中的空间和时间尺度
Bond lengths, atomic radii ~ 0.1 nm
Statistical (Kuhn)
计算材料学概述
第四章
材料设计、计算及模拟
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1
主要内容
计算材料学的起源 计算材料学的方法 计算材料学的应用
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2
主要内容
计算材料学的起源 计算材料学的方法 计算材料学的应用
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3
计算材料学的起源
1913 Niels Bohr 建立了原子的量子模型。 1920s~1930s 量子力学的建立和发展。 1928 F. Bloch 将量子理论运用于固体。 1927 原子电子结构的Thomas-Fermi理论。 1928-1930 Hatree-Fock方法建立，采用平均场近似
Longest relaxation time 10-3 s
Phase/ microphase separation 1s
Physical ageing
(Τ < Τg-20οC)
1 2y2r
材料设计的层次
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23
典型模拟方法
空间尺度 /m
模拟方法
10-10-10-6 Metropolis MC
法等相关学科，利用现代高速计算机，模拟
材料的各种物理化学性质，深入理解材料从
微观到宏观多个尺度的各种现象与特征，对
材料的结构和物理化学性能进行理论预测，
从而达到设计新材料的目的。
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15
计算材料学的内涵
通过模型化与计算实现对材料制备、加工、结构、性 能和服役表现等参量或过程的定量描述；
理解材料结构与性能和功能之间的关系； 设计新材料； 缩短材料研制周围； 降低材料制造过程成本。
求解电子结构的问题。 1964-1965 密度泛函理论（DFT）和Kohn-Sham方
法 1998 Kohn和Pople获得Nobel化学奖
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4
‘… all the mathematics to solve the whole of chemistry is known, but the equations are too difficult to solve …’
计算材料学的概念
计算材料学是沟通理论与实验、宏观与微观的 桥梁。
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13
计算机模拟与材料研究四面体
使用性能
合成/加工
计算机 模拟
性能
组织结构/成分
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14
计算材料学的定义
计算材料学（Computational materials
science）是结合凝聚态物理、材料物理学、
理论化学、材料力学、工程力学和计算机算
10-10-10-6 集团变分法
典型应用
热力学、扩散及有序化系 统 热力学系统
10-10-10-6 10-10-10-6 10-10-10-6
Ising模型
Bragg-Williams-Gorsky模 型
分子场近似
磁性系统 热力学系统 热力学系统
10-10-10-6 分子动力学
晶格缺陷与动力学特征
10-12-10-8 从头计算分子动力精学品文档 晶格缺陷与动力学特征24
——L. Pauling （1960）
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6
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7
科学计算的重要性
“科学计算已经是继理论科学、实验科学之后，人类认识 与征服自然的第三种科学方法。”
“现代理论和计算机的进步，使得材料科学与工程的性质 正在发生变化。材料的计算机分析与模型化的进展，将使 材料科学从定性描述逐渐进入定量描述阶段。”
—— P.A.M. Dirac (1930)
“……解决全部化学的规律的数学方法已完全知道 了，困难只是在于这些方程太复杂，无法求解……”
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5
ห้องสมุดไป่ตู้
1953年舒尔（H. Schull）等人用手摇计算机，摇了2 年才完成氮分子的哈特里－福克（Hartree-Fock）等 级的从头计算。
也许我们可以相信理论物理学家，物质的所有性质 都应当用薛定谔方程来计算。但事实上，自从薛定 谔方程发现以来的30年中，我们看到，化学家感兴 趣的物质性质只有很少几个作出了准确而又非经验 性的量子力学计算。
空间尺度 /m
模拟方法
典型应用
10-10-100 元胞自动机
再结晶、生长、相变、流体
10-7-10-2 弹簧模型
断裂力学
10-7-10-2
顶点模型、拓扑网络模型、 晶界动力学
成核、结晶、疲劳
10-7-10-2
几何模型、拓扑模型、组 分模型
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16
计算模拟的作用
可以归纳为三个方面：
（1）计算机模拟是基础研究和工程应用的桥 梁。
（2）计算机模拟指出了未来材料科学发展的 方向。
（3）计算机模拟能够揭示材料科学和工程的
不同方面。
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17
主要内容
计算材料学的起源 计算材料学的方法 计算材料学的应用
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18
材料研究中的尺度（时间和空间）
segment length b
~ 1 nm
Melt
Chain radius of gyration ~ 10 nm
Domain size in phase-separated material ~ 1 m
Glassy state
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Bond vibrations 10-14 s
Conformat. transitions 10-11 s
——《90年代的材料科学与工程》
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科学计算的可行性
计算机软、硬件条件的飞速发展为科学计算提供了有 力保证。
量子力学，量子化学等基础理论的发展为科学计算奠定 了理论基础。
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9
CPU的速度增加:Moore定律
Moore定律：计算机CPU 的速度每1.5年增加一倍。
1946~1957 真空管,第一代 1958~1963 晶体管,第二代 1966~1970集成电路,第三代 1971~ 大规模和超大规模
集成电路,第四代
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多核技术 集群技术
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材料设计
材料设计（Materials by design）一词正在变 为现实，它意味着在材料研制与应用过程中理论的份量不 断增长，研究者今天已经处在应用理论和计算来设计材料 的初期阶段。
——美国国家科学研究委员会（1995）
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12