2023年材料计算实验报告.doc

材料计算实验报告 学生实验实习报告册 学年学期： 2023‍-‍2023学年‍o春o秋学期 课程名称： 课程设计〔小型软件系统〕 学生学院： 理学院 专业班级： 11921701 学生学号： 2023213260 学生姓名： 联系 ： 指导教师： 总评成绩： xx邮电大学教务处制 课程设计〔小型软件系统〕要求 ‍通过本课程设计，了解当代计算材料学之材料设计和计算及模拟的理论根底、开展历程。初步掌握LINUX系统的根本操作、脚本编写。熟悉常用的材料计算软件的使用，并能够通过模拟计算，获得常见的简单晶体结构的几何和电子性质。 ‍具体要求： 1. 通过前期的课程学习和网络调研，了解第一性原理计算的理论根底； 2. 通过课程学习和实践操作，初步掌握LINUX系统的根本操作； 3. 学会根据实验测试数据〔如XRD、TEM等〕，利用FINDIT软件获得材料体系的晶体结构； 4. 学会利用VESTA、MATERIALS‍STUDIO、UEDIT等软件对晶体结构进行查看、结构调节，最终准确获得初始计算模型； 5. 学会利用VIENNA‍AB-INITIO‍SIMULATION‍PACKAGE〔简称VASP〕软件，获得晶体结构稳定构型、电荷密度分布、电子态密度、能带结构、声子谱、结合能等； 6. 学会利用P4VASP、ORIGIN等软件进行数据转换和作图； 7. 能够利用所学的量子力学、固体物理、半导体物理学知识，分析晶体结构、电荷密度分布、电子态密度以及能带结构。 实验名称 系统建模与仿真实验 课程编号 A2110260 实验地点 SL110 实验时间 6.15-6.19 一、课程设计目的： 目的：通过本课程设计，了解当代计算材料学之材料设计和计算及模拟的理论根底、开展历程。初步掌握LINUX系统的根本操作、脚本编写。熟悉常用的材料计算软件的使用，并能够通过模拟计算，获得常见的简单晶体结构的几何和电子性质。 二、课程设计使用的仪器、软件： 仪器：计算机。 软件：FINDIT、VESTA、MATERIALS‍STUDIO、UEDIT、VIENNA‍AB-INITIO‍SIMULATION‍PACKAGE、P4VASP、ORIGIN。 三、课程设计要求： 1. 通过前期的课程学习和网络调研，了解第一性原理计算的理论根底； 2. 通过课程学习和实践操作，初步掌握LINUX系统的根本操作； 3. 学会根据实验测试数据〔如XRD、TEM等〕，利用FINDIT软件获得材料体系的晶体结构； 4. 学会利用VESTA、MATERIALS‍STUDIO、UEDIT等软件对晶体结构进行查看、结构调节，最终准确获得初始计算模型； 5. 学会利用VIENNA‍AB-INITIO‍SIMULATION‍PACKAGE〔简称VASP〕软件，获得晶体结构稳定构型、电荷密度分布、电子态密度、能带结构、声子谱、结合能等； 6. 学会利用P4VASP、ORIGIN等软件进行数据转换和作图； 7. 能够利用所学的量子力学、固体物理、半导体物理学知识，分析晶体结构、电荷密度分布、电子态密度以及能带结构。 四、课程设计原理： 研究体系的复杂性表现在多个方面，从低自由度体系转变到多维自由度体系，从标量体系扩展到矢量、张量系统，从线性系统到非线性系统的研究都使解析方法失去了原有的威力。因此，借助于计算机进行计算与模拟恰恰成为唯一可能的途径。复杂性是科学开展的必然结果，计算材料科学的产生和开展也是必然趋势，它对一些重要科学问题的圆满解决，充分说明了计算材料科学的重要作用和现实意义。 采用了基于密度泛函理论的第一性原理计算方法。使用目前常用的商业软件包，VIENNA‍AB‍INITIO‍SIMULATION‍PACKAGE‍(VASP)，进行模拟。离子实与价电子层的相互作用采用投影缀加平面波赝势(PROJECTOR‍AUGMEN=TED‍WAVE，PAW)来描述。交换相关能采用广义梯度近似(GGA)中的PBE泛函描述。为了更好地描述层间作用，在计算时，用OPTPBE-VDW方法进行范德华尔斯修正。平面波基组截断能设置为400eV。结构优化和静态计算时的布里渊区K点采样网格分别为3×3×3和4×4×4。原子完全弛豫，直至各原子之间的力小于 0.01eVÅ-1，结构弛豫结束。 五、课程设计思路、步骤： 1、翻开FINDIT软件，查找MoS2，选择晶胞参数为3.16，如以下列图 图1‍查找MoS2数据 导出MoS2数据，注意保存格式为.cif。 2、将保存好的文件〔icsd.cif〕直接拖入MATERIALS‍STUDIO软件，即可以看到MoS2的单个晶胞结构，点击鼠标右键选择Display‍style中的CPK选项，调整原子为适宜大小，点击view‍across查看模型的正面图〔图2〕，之后点击view‍onto查看模型的俯视图〔图3〕，最后，保存文件到指定文件夹，文件命名为MoS2-BULK.‍Cif。 图2.‍MoS2正视图3.MoS2俯视图 3、将保存好的文件〔MoS2-BULK.‍cif〕直接拖入VESTA软件，转动一下即可以看到MoS2的单个晶胞结构，再点击左下角的Properties-icsd.‍cif进入参数设置，第1选择General里的Single‍unit‍cell即可以看见一个更规整的晶胞结构；第2点击Atoms，在里面可以选择Mo、S两个原子的颜色；第3点击edit中的‍Bonds，点击new后把A2改为S，将Max‍length改为3。调整完后可得到以下列图〔图4〕，最后保存文件，命名为icsd.vasp。 图4 4、将icsd.vasp文件用Uedit32翻开，可以得到MoS2晶胞的坐标数据。 5、计算局部:采用了基于密度泛函理论的第一性原理计算方法。使用目前常用的商业软件包 VIENNAABINITIOS IMULATIONPACKAGE(VASP),进行模拟。离子实与价电子层的相互作用采用投影缀加平面波赝势( PROJECTORAUGMEN= TEDWAVE,PAW)来描述。交换相关能采用广义梯度近似(GA)中的PBE泛函描述。为了更好地描述层间作用,在计算时,用TPBE-DW方法进行范德华尔斯修正。平面波基组截断能设置为400eV。结构优化和静态计算时的布果渊区K点采样网格分别为3×3×3和4×4×4。原子完全弛豫,直至各原子之间的力小于0.01eVA,结构弛豫结束。 〔1〕翻开Xshell软件，建立会话并进入自己的分组,拷贝4个文件INCAR、 KPOINTS、 POSCAR 、vdw_kernel.bindat。在POSCAR中拷入刚得到的MoS2晶胞的坐标数据，修改INCAR中的数据，通过一系列操作，最后输入运行代码nohupmpirun -np 8 vasp_std>& 1.out &进行结构优化计算。通过结构优化后可以得到CONTCAR并导出。 〔2〕接下来进行静态计算。创立新的文件夹static,进入该文件夹后导入结构优化后的CONTCAR、POSCAR，注意还要考入没有结构优化之前的INCAR、KPOINTS并修改KPOINTS为4×4×4。同样输入运行代码nohupmpirun -np 8 vasp_std>& 1.out &进行静态计算。得到CHGCAR、vasprun. xml并导出。 6、将CHGCAR拖入VESTA中进行参数更改。第1选择General里的Single‍unit‍cell即可以看见一个更规整的晶胞结构；第2点击Atoms，在里面可以选择 Mo、S两个原子的颜色；第3选择Isosurfaces里的New，将Isosurface level改为0.05即可得到以下列图5 图5MoS2晶胞 7、通过一个脚本文件vaspkit的计算，可以得到TDOS.dat并导出，再由脚本文件的另外一个计算可导出PDOS_Mo.dat、PDOS_S.dat, 接着新建一个excel文档导入TDOS.dat、PDOS_Mo.dat、PDOS_S.dat中的数据并进行处理,将处理的数据导入Origin中再处理，即可得到以下列图6 图6 8、再创立文件夹bands,将CHGCAR、POSCAR、POTCAR、vdw_kernel.bindat拷贝进该文件夹，再将前面的INCAR、KPOINTS拷入。在Matstudi软件中点击Tools—>Brillouin zone path可得到以下列图7 图7 最后在bands中用脚本文件计算，可以得到REFORMATTED_BAND. Dat并导出。相同的方法在 Excel中处理数据再导入Origin中再处理，可以得到MoS2的能带结构图8 图8MoS2的能带结构图 六、课程设计结果： 根据以上能带结构图，我们可以清晰的看出这是一个间隙半导体，电子从价带转移到导带除了需要能量以外还需要位移。 七、课程设计总结： 这一课程的学习，我初步掌握了Linux系统的简单操作以及简单的材料计算步骤。通过这些学习接触到了材料计算这一专业领域，开拓了我的视野，认识到了更多的工作软件。