計算機輔助材料設(shè)計-簡介

計算機輔助的材料設(shè)計—基于第一性原理的密度泛函理論姓名：專業(yè)：材料學(xué)學(xué)號:

材料計算與設(shè)計

第一性原理介紹

實例應(yīng)用分析Contents

材料計算與設(shè)計是指以計算機為手段，通過理論與計算對材料的固有性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與組分、適用性能以及合成與加工進(jìn)行綜合研究的一門新學(xué)科方向目的：在于使人們能主動地對材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)與功能的優(yōu)化與控制，以便按需制作新材料基礎(chǔ)理論計算方法計算機軟硬件平臺生產(chǎn)實踐實驗驗證結(jié)構(gòu)物性計算物性數(shù)據(jù)庫(MaterialsComputationanddesign)

將模擬得到的理論物理量與實驗結(jié)果進(jìn)行驗證用于分析和解釋實驗或理論尚不清楚的現(xiàn)象的原因或機理實驗前，預(yù)測材料的新物性；預(yù)測難以實現(xiàn)的條件下材料的物性建立模型，分析并建立新的概念和理論體系材料計算學(xué)的應(yīng)用：第一性原理介紹將多原子構(gòu)成的體系理解為由電子和原子核組成的多粒子體系，并將量子力學(xué)的基本原理最大限度地對問題進(jìn)行“非經(jīng)驗性”處理。在正確描述電子狀態(tài)和作用于各原子間的力的基礎(chǔ)上進(jìn)行分子動力學(xué)模擬的方法計算過程：以多種時間間隔正確地求出體系的電子狀態(tài)，并通過更換原子位置計算作用在每個原子核上的力，根據(jù)作用在原子子實上的力來調(diào)整原子的位置，重復(fù)迭代，直至原子實上的力為零，得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。量子力學(xué)中薛定諤方程的求解：波函數(shù)是非常復(fù)雜的量，并且不能通過實驗探知在求解多電子體系的薛定諤方程的過程中，遇到的最大困難就是求解電子間重疊積分，即考察單個電子與其它電子間的相互作用任意電子系統(tǒng)的基態(tài)電子密度n(r)的分布唯一地決定電子系統(tǒng)密度泛函理論(DensityFunctionalTheory)Hohenberg-Kohn定理Kohn-Sham方程計算軟件能做什么？執(zhí)行多種不同精度和理論的分子軌道計算，包括從頭計算、MC法、密度泛函法、多種半經(jīng)驗量子化學(xué)方法。分子的能量與幾何結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)的能量與幾何結(jié)構(gòu)、分子的熱化學(xué)性質(zhì)、鍵能與化學(xué)反應(yīng)能、分子軌道、原子電荷分布、電子親和能與電離勢、軌跡計算和反應(yīng)途徑優(yōu)化。實例分析StructureandenergeticsofstoichiometricTiO2anatasesurfaces銳鈦礦TiO2表面的結(jié)構(gòu)和能量的化學(xué)計算對于氫化銳鈦礦TiO2而言，{101}晶面族是最穩(wěn)定的，占據(jù)所有晶面的94%以上。而體現(xiàn)二氧化鈦納米晶的優(yōu)異性能，是最具有活性的{001}晶面族。在二氧化鈦晶體表面，利用其他非金屬元素H、B、C、N、F、Si、P、Cl、Br分別與Ti配位，研究其降低晶體(001)和(101)表面能的能力通過計算機軟件進(jìn)行第一性原理量子化學(xué)計算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)元素能有效降低二氧化鈦（001）和（101）的表面能，這將有利于大的單晶面的形成，有利于活性晶面的存在。構(gòu)建模型a和b分別代表干凈的（001）和（101）面模擬X原子吸附模型c和d分別代表吸附有X原子的（001）和（101）面e是吸附有X原子的（001）和（101）面的表面能計算值，f是吸附有X原子的（001）占全部晶面的比例根據(jù)計算機軟件模擬結(jié)果，采用TiF4作為原料，以HF為形狀控制劑，采用水熱法制備了二氧化鈦的納米晶材料，圖2所示為不同反應(yīng)條件下獲得樣品的掃描電鏡圖像。圖2兩種反應(yīng)條件下獲取的樣品掃描