Materials Studio软件在固体物理教学实践中的应用

【摘 要】Materials Studio/CASTEP的组合是一个先进的材料设计环境，具有三维可视的材料分子建模能力。它采用平面波贋势基组结合密度泛函理论，在高度整合的主从运算与分析环境架构下，提供亲和而功能强大的使用界面，是研究与设计材料物理性质的一个功能强大的工具。在教学过程中引入Materials Studio计算模拟软件，对教学的知识点及基本原理进行操作、演示及计算，可使教学内容更形象、生动、丰富，知识点更易于被学生理解，从而提高教学效率；激发学生的学习兴趣，促进其专业技能和素质的培养。本文旨在探索教学方法的改进及创新，为固体物理及材料科学的学科建设进行有益的尝试。

【关键词】固体物理 Materials Studio CASTEP 计算模拟 教学方法

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2013）33-0054-02

固体物理是大中专院校物理学、材料科学与工程、化学、电子学专业中重要的基础专业课，它是物理学中内容丰富、应用广泛的分支学科，是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础。因此做好固体物理学科的教学工作尤为重要。同时这门课程所涉及的知识点多与物理概念及数学公式相关，内容具有一定的学习难度，不易理解。因此，在教学过程中，如果能形象生动地展开教学活动，直观地解释相关的物理概念、现象、过程、结构及状态等，就能激发学生的学习兴趣，更好地理解相关的知识，提高教学效率。

理论计算模拟方法已成为国际上流行的一种科学研究方法。目前，国内外越来越多的学术期刊中大量采用理论计算方法来验证及说明实验得出的数据结果。Materials Studio6.0、VASP、Wein2K等软件是目前计算固体物理周期性体系比较流行的软件，Materials Studio 软件采用平面波贋势基组，而VASP及Wein2k采用全电子基组。从计算精度上来说，VASP&MedeA、Wein2k的精度更高，但耗用计算资源较多，可视化不好，只有熟悉第一性原理及计算模拟的专业人员才能熟练运用，不利于本科生的教学。相反，Materials Studio 程序包通过Visualizer可视化界面整合了二十几种计算模拟模块，功能强大，操作简单、直观，因此，更易被本科生掌握，适宜于本科生的日常教学实践。

一 Visualizer可视化模块结合固体物理教学环节的设计

1.简介

Materials studio材料计算模拟软件是美国Accelrys公司为材料科学领域开发的一款科学研究软件。用户可通过Visualizer模块进行一些简单的操作来构建复杂材料分子的三维结构模型。随后对材料分子进行的构型优化、性质预测、X射线衍射分析及量子力学方面进行计算研究。

固体物理其研究内容包括：晶体结构；晶体衍射和倒格子；晶体结合与弹性模量；声子；自由电子费米气；能带；半导体晶体；磁性；光学过程与激子；介电体和铁电体；表面与界面物理；位错与缺欠等。Materials Studio能够进行模型构建；弹性张量；电子光谱与介电常数的计算；静介电常数；红外、拉曼光谱计算；磁性相关性质计算；费米面计算及可视化；能带及态密度的计算及图形化；声子谱及声子态密度等等，固体物理学科中的很多概念及过程我们都可通过Materials Studio程序包来进行课堂演示及计算，给出形象化的解释。

2.构建固体物理教学内容涉及的模型结构

固体物理中的很多章节，涵盖的知识点及概念都可以利用Materials Studio软件建模并计算，从而很好地演示出来。比如晶体结构，我们可以通过Visualizer模块中的FileImportStructuresemiconductorsZnO功能导入程序内建的各种晶体结构，包括半导体、玻璃、金属、金属氧化物、矿物质、有机物、高分子、催化剂、陶瓷等常用的晶体数据结构，并三维可视化。之后我们可以在此晶体结构基础上进行超晶胞拓展，或者根据自己的需要进行修改，引入一些位错及缺欠；另外还可以构建催化表面、气相吸附等，最后利用CASTEP进行计算演示。

二 CASTEP模块在教学中的应用

CASTEP（Cambridge Sequential Total Energy Package的缩写）是专为固体材料科学设计的当前最高水平的量子力学软件包之一。下面我们简要举例讲述如何应用Materials Studio & CASTEP软件讲解固体物理教学中的相关知识和概念。

1.弹性系数张量的计算

弹性系数张量与块体模量都是决定材料机械性质和硬度的重要指标。下面我们以ZnO做示范。操作步骤为：首先，载入Materials Studio自带的ZnO模型，进行Ultra fine精度的几何结构优化。在Setup选项卡中选择：FunctionalLDA；QualityUltra fine；在选择GeomOpt计算后，从More选项中选择晶胞Optimize cell选项，使用默认的peseudopotential，进行几何结构优化ZnO晶胞。之后在优化的ZnO晶胞基础上，做TASK=Elastic Constants的计算。完成后，进行操作CASTEPAnalysis进行计算结果分析，在选项卡中选择Elastic Constants来获得弹性张量，得到ZnO的弹性张量计算结果。也可以采用不同的精度及泛函方法计算几组数据，之后我们可以与文献中的实验值进行比较，来验证我们计算的精度。通过整个计算过程及操作的讲解，可以使学生易于理解固体物理中弹性模量的计算原理及此概念的意义。

2.总结

Materials Studiao具有强大的建模功能，并自带很多模型数据；而CASTEP计算模块可方便地计算出固体物理学科中所涉及的概念，在教学过程中恰当地运用此类软件，通过直观的操作及可视化图形展示，激发学生学习兴趣，促进其动手和理论联系实际的能力，使课堂教学过程引人入胜。

参考文献

[1]于永宁.材料科学基础[M].北京：高等教育出版社，2005

[2]杜永胜.Materials Studio 在固体物理教学中的应用[J].技术物理教学，2009（3）