1、材料設(shè)計(jì)與計(jì)算方法 李鴻 2015年秋季基礎(chǔ)背景晶體結(jié)構(gòu)，固體物理，能帶理論第一性原理計(jì)算 Kohn-Sham方程：整理課件課程內(nèi)容第一章 材料與計(jì)算方法概述第二章 晶體的結(jié)構(gòu)與分類第三章 材料的物理性質(zhì)第四章 第一性原理方法第五章 應(yīng)用實(shí)例 整理課件課程目標(biāo)學(xué)會(huì)如何搜集材料的信息，能利用一款材料計(jì)算軟件Material Studio構(gòu)建晶體材料結(jié)構(gòu)，并利用其中模塊CASTEP（或DMOL）計(jì)算一些晶體的基本性質(zhì)。整理課件參考教材計(jì)算凝聚態(tài)物理納米材料設(shè)計(jì) 鐘建新著 湘潭大學(xué)出版社 2010現(xiàn)代材料計(jì)算與設(shè)計(jì)教材 吳興惠 項(xiàng)金鐘著 電子工業(yè)出版社 2002固體物理學(xué)（重排本） 黃昆著 北京大學(xué)

2、出版社 2014材料物理導(dǎo)論（第三版）熊兆賢著 科學(xué)出版社 2012材料物理 李志林著 化學(xué)工業(yè)出版社 2009另外，請(qǐng)充分利用baidu，google，論壇，圖書館，等等。整理課件考查方法平時(shí)作業(yè) ：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(jì)算方法概述 思考看到一種材料，最關(guān)注的是什么？整理課件組成結(jié)構(gòu)性能 功能 可能應(yīng)用生產(chǎn)實(shí)用思考看到一種材料，最關(guān)注的是什么？整理課件組成結(jié)構(gòu)性能 功能 可能應(yīng)用生產(chǎn)實(shí)用材料設(shè)計(jì)三個(gè)主要環(huán)節(jié)：采用理論計(jì)算的方法預(yù)測(cè)新物質(zhì)新材料的電子態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、物性等；建立數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出半經(jīng)驗(yàn)定律；利用擴(kuò)展系統(tǒng)，預(yù)測(cè)具有特殊功能的物質(zhì)組

3、成、原子空間排布等。整理課件這是一個(gè)“實(shí)驗(yàn)-數(shù)據(jù)庫(kù)的更新-計(jì)算機(jī)模擬-實(shí)驗(yàn)合成新材料”的無限循環(huán)。從計(jì)算到實(shí)驗(yàn)的材料設(shè)計(jì)過程：思考看到一種材料，最關(guān)注的是什么？整理課件組成結(jié)構(gòu)性能 功能 可能應(yīng)用生產(chǎn)實(shí)用材料設(shè)計(jì)整理課件從實(shí)驗(yàn)到生產(chǎn)的材料設(shè)計(jì)：大體上說，理論計(jì)算設(shè)計(jì)出原材料；實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)出原材料；工廠利用原材料設(shè)計(jì)。材料設(shè)計(jì)從廣義上來說，材料設(shè)計(jì)可以按研究對(duì)象的空間尺度不同分為三個(gè)層次：工程設(shè)計(jì)層次，尺度對(duì)應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料的加工和使用性能的設(shè)計(jì)研究；連續(xù)模型層次，典型尺度在1m的量級(jí)，這時(shí)材料被看成連續(xù)介質(zhì)，不考慮其中單個(gè)原子、分子的行為；微觀設(shè)計(jì)層次，空間尺度在約1nm的量級(jí)，是原子、

4、電子層次的材料設(shè)計(jì)。整理課件本課程內(nèi)容材料設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)：通過理論與計(jì)算預(yù)報(bào)新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者說，通過理論設(shè)計(jì)來“訂做”具有特定性能的新材料。整理課件組成結(jié)構(gòu)功能隨著理論基礎(chǔ)的完善與計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬與功能預(yù)測(cè)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域成為現(xiàn)實(shí)。研究材料前的準(zhǔn)備工作了解材料了解材料的發(fā)展了解材料的分類選定一種材料，了解相關(guān)知識(shí)查找一個(gè)材料的結(jié)構(gòu)，相關(guān)性能，目前研究的進(jìn)展時(shí)刻關(guān)注最新的成果了解計(jì)算方法第一性原理計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛方法，等等整理課件材料的發(fā)展材料發(fā)展的歷史從生產(chǎn)力的側(cè)面反映了人類社會(huì)發(fā)展的文明史 石器時(shí)代，陶器時(shí)代，青銅時(shí)代， 鐵器時(shí)代， 鋼鐵時(shí)代 原始社會(huì)

5、 奴隸社會(huì) 封建社會(huì)整理課件資本主義社會(huì)主義材料的發(fā)展近年來，材料進(jìn)入了迅猛發(fā)展的時(shí)代，各種新型人工合成材料應(yīng)時(shí)、應(yīng)運(yùn)而出。 對(duì)材料要求：更輕，更強(qiáng)，更優(yōu)異的性能，更經(jīng)濟(jì)，等等。整理課件研究材料前的準(zhǔn)備工作了解材料了解材料的發(fā)展了解材料的分類選定一種材料，了解相關(guān)知識(shí)查找一個(gè)材料的結(jié)構(gòu)，相關(guān)性能，目前研究的進(jìn)展時(shí)刻關(guān)注最新的成果了解計(jì)算方法第一性原理計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛方法，等等整理課件材料分類從結(jié)構(gòu)對(duì)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(dǎo)電性分：金屬材料，半導(dǎo)體材料，絕緣材料按是否含C分類：有機(jī)材料，無機(jī)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(fù)合材料按用途分類：結(jié)構(gòu)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(zhǔn)備工作了解材料了解材料的發(fā)展了解材料的分類選定一種材料，了解相關(guān)知識(shí)查找一個(gè)材料的結(jié)構(gòu)，相關(guān)性能，目前研究的進(jìn)展時(shí)刻關(guān)注最新的成果了解計(jì)算方法第一性原理計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛方法，等等整理課件納米材料簡(jiǎn)介納米材料：是指在三維空間中至少有一個(gè)維度處于納米尺度范圍內(nèi)(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(zhǎng)度，電子的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干會(huì)發(fā)生很大的變化；另外由于尺度在納米量級(jí)，必然存在

7、大量的表面原子，導(dǎo)致特殊的表面效應(yīng)。納米材料在電學(xué)、磁性、熱學(xué)、光學(xué)等方面的性質(zhì)，可能完全不同于該物質(zhì)對(duì)應(yīng)塊體所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。整理課件納米材料簡(jiǎn)介整理課件態(tài)密度納米材料的基本性質(zhì)一般來講，只要體系尺度處于納米量級(jí)，那么它將具有以下特征：小尺寸效應(yīng)自組裝效應(yīng)表面效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)宏觀量子隧穿效應(yīng)整理課件小尺寸效應(yīng)整理課件由于納米材料尺寸減小而引起的體系在力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)等方面宏觀物理性質(zhì)的變化的現(xiàn)象。性質(zhì)不一定是單調(diào)變化的。重構(gòu)現(xiàn)象：對(duì)于較小的納米顆粒，增加一個(gè)原子就可能使結(jié)構(gòu)整體上發(fā)生變化；另外對(duì)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(huì)出現(xiàn)表面重構(gòu)現(xiàn)象。自組裝效

8、應(yīng)整理課件原子、分子、分子團(tuán)簇等主動(dòng)排列成有序的實(shí)體而不需要人為介入。如：在Si襯底上通過分子束外延技術(shù)自組裝生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn)；用電弧放電法或化學(xué)氣相沉積法，使碳原子自組裝成兩端封閉的管狀結(jié)構(gòu)。表面效應(yīng)整理課件納米體系的表面粒子與總粒子數(shù)之比隨著體系尺寸的減小而大幅度增加，從而導(dǎo)致表面能增加，引起納米體系的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生顯著變化。表面原子由于配位數(shù)不足，存在大量的懸掛鍵，出現(xiàn)很多活性中心，表面臺(tái)階和粗糙度增加，表現(xiàn)出非化學(xué)平衡、非整數(shù)配位的化學(xué)價(jià)，容易與其它原子、分子相結(jié)合，因而有較高的表面化學(xué)活性。量子尺寸效應(yīng)整理課件當(dāng)顆粒尺寸減小到某一臨界值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散態(tài)的

9、現(xiàn)象宏觀量子隧穿效應(yīng)整理課件微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力，稱為隧穿效應(yīng)。而一些納米材料的宏觀量，如納米團(tuán)簇的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧穿效應(yīng)，稱為宏觀量子隧穿效應(yīng)。納米材料的實(shí)驗(yàn)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(xué)氣相沉積法物理氣相沉積法整理課件研究材料前的準(zhǔn)備工作了解材料了解材料的發(fā)展了解材料的分類選定一種材料，了解相關(guān)知識(shí)查找一個(gè)材料的結(jié)構(gòu)，相關(guān)性能，目前研究的進(jìn)展時(shí)刻關(guān)注最新的成果了解計(jì)算方法第一性原理計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛方法，等等整理課件材料數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的獲取，信息的存儲(chǔ)，知識(shí)的認(rèn)知之間存在鴻溝整理課件材料數(shù)據(jù)庫(kù)介紹一款

10、開放的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)：COD整理課件從這20種文獻(xiàn)中得到的，結(jié)構(gòu)不是很全( )b有機(jī)，無機(jī)晶體皆有材料數(shù)據(jù)庫(kù)以查找ZnO（常溫下兩種結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)為例：整理課件請(qǐng)多方位的查找數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)庫(kù)，文獻(xiàn)，詢問前輩14條記錄，1種結(jié)構(gòu)34條記錄，4種結(jié)構(gòu)付費(fèi)版，98條記錄，？種結(jié)構(gòu)無機(jī)晶體數(shù)據(jù)庫(kù)研究材料前的準(zhǔn)備工作了解材料了解材料的發(fā)展了解材料的分類選定一種材料，了解相關(guān)知識(shí)查找一個(gè)材料的結(jié)構(gòu)，相關(guān)性能，目前研究的進(jìn)展時(shí)刻關(guān)注最新的成果了解計(jì)算方法第一性原理計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛方法，等等整理課件及時(shí)地查找文獻(xiàn)（baidu,google 學(xué)術(shù),圖書館，等等）查找文獻(xiàn)比較Baidu學(xué)術(shù)，google學(xué)術(shù)，學(xué)校圖

11、書館中的sci檢索整理課件查找文獻(xiàn)找到了萬-55萬的文獻(xiàn) 盡量輸入足夠多的信息，以減少文獻(xiàn)數(shù)。另外，為防止漏掉文獻(xiàn)，請(qǐng)查看文獻(xiàn)中引用的相關(guān)文獻(xiàn)，還有時(shí)刻關(guān)注引它的文獻(xiàn)。整理課件研究材料前的準(zhǔn)備工作了解材料了解材料的發(fā)展了解材料的分類選定一種材料，了解相關(guān)知識(shí)查找一個(gè)材料的結(jié)構(gòu)，相關(guān)性能，目前研究的進(jìn)展時(shí)刻關(guān)注最新的成果了解計(jì)算方法第一性原理計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛方法，等等整理課件第一性原理計(jì)算不依賴于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，直接求解材料的最基本的量子力學(xué)方程；一種精確的材料預(yù)測(cè)和評(píng)估方法，可以預(yù)測(cè)材料的結(jié)構(gòu)及光學(xué)、電學(xué)、磁性等方面的性質(zhì)。整理課件研究材料前的準(zhǔn)備工作了解材料了解材料的發(fā)展了解材料的分類選定一種材料，了解相關(guān)知識(shí)查找一個(gè)材料的結(jié)構(gòu)，相關(guān)性能，目前研究的進(jìn)展時(shí)刻關(guān)注最新的成果了解計(jì)算方法第一性原理計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛方法，等等整理課件分子動(dòng)力學(xué)以經(jīng)典粒子（原子、分子、離子）為研究對(duì)象，按照粒子間的相互作用勢(shì)，通過求解各個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)方程，獲得不同時(shí)刻粒子的空間位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而統(tǒng)計(jì)出體系宏觀行為特性；可提供微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及它們和體系宏觀特性之間關(guān)系的清晰的物理圖像。整理課件研究材料前的準(zhǔn)備工作了解材料了解材料的發(fā)展了解材料的分類