计算机在材料科学与工程

中的应用

课程作业

姓名：刘武佰

班级：材料1002

学号：20100043

实验一、第一性原理计算

1. 实验目的

(1) 掌握第一性原理和密度泛涵的计算方法；

(2) 学会使用Visualizer 的各种建模和可视化工具； (3) 熟悉CASTEP模块的功能。

2. 实验原理

CASTEP是基于密度泛涵理论平面波赝势基础上的量子力学计算。

密度泛涵理论的基本思想是原子、分子和固体的基本物理性质可以用粒子密度函数进行描述。可以归纳为两个基本定理：

定理1：粒子数密度函数是一个决定系统基态物理性质的基本参量。

定理2：在粒子数不变的条件下能量对密度函数变分得到系统基态的能量。不计自旋的全同费米子的哈密顿量为：H?T?U?V

其中动能项为：T??dr???(r)??(r)

库仑作用项为：U?1drdr'1??(r)??(r')?(r)?(r')

?2r?r'V为对所有粒子均相同的局域势u(r)表示的外场影响：V??dru(r)??(r)?(r)粒子数密度函数为：?(r)????(r)?(r)?

对于给定的?(r)，能量泛函E[?]定义为：E[?]??dr?(r)?(r)??T?U?；F[?]??T?U?系统

'EG[?]??'T?U?'??'V?'基态的能量：?EG[?']?F[?']??dr?'(r)?'(r)?EG[?]

?F[?]??dr?(r)?(r)?EG[?]3. 实验内容

实验 1. 材料的电子结构计算；

实验2. 晶体材料的晶格[点阵]参数预报（要求材料体系为金属合金、化合物半导体或

有机高分子材料）； 实验 3. 材料的弹性模量计算。

4. 实验设备和仪器

(1) 硬件：多台PC机和一台高性能计算服务器。

(2) 软件：主要利用Materials studio软件包里的Materials Visualizer和

CASTEP模块。

5. 实验步骤

一、建立所研究材料的结构模型

（1）按照所研究材料的晶胞参数建立晶体结构。

建立的晶体结构是氯化铯（CsCl），空间群（221-Pm3m,a=0.4110nm）,立方体心格子。 1、在project窗口内，untitled右键new/3D atomistic Document，以建立保存材料结构模型的文件，在所打开的文件窗口可以建立、编辑所建立的各种模型这是所有计算的前提。

2、然后在菜单栏build/crystals/build crystal

3、出现的build crystal窗口中有三个标签，第一个是选择晶体所在的空间群space group，以CsCl晶体为例空间群为Pm3m(221)，在第二个标签lattice parameters中填

写晶格常数，由于是立方晶系只需填一个length a=0.4110nm；完成后选择build将回到原3D窗口将看到一个晶格框架.

4、通过build/add atom出现添加原子窗口，首先添加Cs原子，坐标a、b、c为

（0,0,0）,再添加Cl原子a、b、c坐标为（0.5，0.5，0.5）这样， CsCl晶体就建立起来

6、在3D模型文件窗口右键出现的菜单选择display style窗口选择显示模式，选择ball and stick，完成后CsCl晶体模型为下图所示。