Materials Studio軟件在固體物理教學實踐中的應用

【摘 要】Materials Studio/CASTEP的組合是一個先進的材料設計環境，具有三維可視的材料分子建模能力。它采用平面波贋勢基組結合密度泛函理論，在高度整合的主從運算與分析環境架構下，提供親和而功能強大的使用界面，是研究與設計材料物理性質的一個功能強大的工具。在教學過程中引入Materials Studio計算模擬軟件，對教學的知識點及基本原理進行操作、演示及計算，可使教學內容更形象、生動、豐富，知識點更易于被學生理解，從而提高教學效率；激發學生的學習興趣，促進其專業技能和素質的培養。本文旨在探索教學方法的改進及創新，為固體物理及材料科學的學科建設進行有益的嘗試。

【關鍵詞】固體物理 Materials Studio CASTEP 計算模擬 教學方法

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2013）33-0054-02

固體物理是大中專院校物理學、材料科學與工程、化學、電子學專業中重要的基礎專業課，它是物理學中內容豐富、應用廣泛的分支學科，是微電子技術、光電子學技術、能源技術、材料科學等技術學科的基礎。因此做好固體物理學科的教學工作尤為重要。同時這門課程所涉及的知識點多與物理概念及數學公式相關，內容具有一定的學習難度，不易理解。因此，在教學過程中，如果能形象生動地展開教學活動，直觀地解釋相關的物理概念、現象、過程、結構及狀態等，就能激發學生的學習興趣，更好地理解相關的知識，提高教學效率。

理論計算模擬方法已成為國際上流行的一種科學研究方法。目前，國內外越來越多的學術期刊中大量采用理論計算方法來驗證及說明實驗得出的數據結果。Materials Studio6.0、VASP、Wein2K等軟件是目前計算固體物理周期性體系比較流行的軟件，Materials Studio 軟件采用平面波贋勢基組，而VASP及Wein2k采用全電子基組。從計算精度上來說，VASPMedeA、Wein2k的精度更高，但耗用計算資源較多，可視化不好，只有熟悉第一性原理及計算模擬的專業人員才能熟練運用，不利于本科生的教學。相反，Materials Studio 程序包通過Visualizer可視化界面整合了二十幾種計算模擬模塊，功能強大，操作簡單、直觀，因此，更易被本科生掌握，適宜于本科生的日常教學實踐。

一 Visualizer可視化模塊結合固體物理教學環節的設計

1.簡介

Materials studio材料計算模擬軟件是美國Accelrys公司為材料科學領域開發的一款科學研究軟件。用戶可通過Visualizer模塊進行一些簡單的操作來構建復雜材料分子的三維結構模型。隨后對材料分子進行的構型優化、性質預測、X射線衍射分析及量子力學方面進行計算研究。

固體物理其研究內容包括：晶體結構；晶體衍射和倒格子；晶體結合與彈性模量；聲子；自由電子費米氣；能帶；半導體晶體；磁性；光學過程與激子；介電體和鐵電體；表面與界面物理；位錯與缺欠等。Materials Studio能夠進行模型構建；彈性張量；電子光譜與介電常數的計算；靜介電常數；紅外、拉曼光譜計算；磁性相關性質計算；費米面計算及可視化；能帶及態密度的計算及圖形化；聲子譜及聲子態密度等等，固體物理學科中的很多概念及過程我們都可通過Materials Studio程序包來進行課堂演示及計算，給出形象化的解釋。

2.構建固體物理教學內容涉及的模型結構

固體物理中的很多章節，涵蓋的知識點及概念都可以利用Materials Studio軟件建模并計算，從而很好地演示出來。比如晶體結構，我們可以通過Visualizer模塊中的File→Import→Structure→semiconductors→ZnO功能導入程序內建的各種晶體結構，包括半導體、玻璃、金屬、金屬氧化物、礦物質、有機物、高分子、催化劑、陶瓷等常用的晶體數據結構，并三維可視化。之后我們可以在此晶體結構基礎上進行超晶胞拓展，或者根據自己的需要進行修改，引入一些位錯及缺欠；另外還可以構建催化表面、氣相吸附等，最后利用CASTEP進行計算演示。

二 CASTEP模塊在教學中的應用

CASTEP（Cambridge Sequential Total Energy Package的縮寫）是專為固體材料科學設計的當前最高水平的量子力學軟件包之一。下面我們簡要舉例講述如何應用Materials Studio CASTEP軟件講解固體物理教學中的相關知識和概念。

1.彈性系數張量的計算

彈性系數張量與塊體模量都是決定材料機械性質和硬度的重要指標。下面我們以ZnO做示范。操作步驟為：首先，載入Materials Studio自帶的ZnO模型，進行Ultra fine精度的幾何結構優化。在Setup選項卡中選擇：Functional→LDA；Quality→Ultra fine；在選擇GeomOpt計算后，從More選項中選擇晶胞Optimize cell選項，使用默認的peseudopotential，進行幾何結構優化ZnO晶胞。之后在優化的ZnO晶胞基礎上，做TASK=Elastic Constants的計算。完成后，進行操作CASTEP→Analysis進行計算結果分析，在選項卡中選擇Elastic Constants來獲得彈性張量，得到ZnO的彈性張量計算結果。也可以采用不同的精度及泛函方法計算幾組數據，之后我們可以與文獻中的實驗值進行比較，來驗證我們計算的精度。通過整個計算過程及操作的講解，可以使學生易于理解固體物理中彈性模量的計算原理及此概念的意義。

2.總結

Materials Studiao具有強大的建模功能，并自帶很多模型數據；而CASTEP計算模塊可方便地計算出固體物理學科中所涉及的概念，在教學過程中恰當地運用此類軟件，通過直觀的操作及可視化圖形展示，激發學生學習興趣，促進其動手和理論聯系實際的能力，使課堂教學過程引人入勝。

參考文獻

[1]于永寧.材料科學基礎[M].北京：高等教育出版社，2005

[2]杜永勝.Materials Studio 在固體物理教學中的應用[J].技術物理教學，2009（3）

〔責任編輯：李錦雯〕