材料计算实验报告.pdf

1、材料计算实验报告学生实验实习报告册 学年学期：2019-2020 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：2017213260 学生姓名：联系电话：指导教师：总评成绩：*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基础、发展历程。初步掌握LINUX 系统的基本操作、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基础；2.通过课程学习和实

2、践操作，初步掌握 LINUX 系统的基本操作；3.学会根据实验测试数据（如 XRD、TEM 等），利用 FINDIT 软件获得已知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

3、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基础、发展历程。初步掌握 LINUX 系统的基本操作、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

4、、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基础；2.通过课程学习和实践操作，初步掌握 LINUX 系统的基本操作；3.学会根据实验测试数据（如 XRD、TEM 等），利用 FINDIT 软件获得已知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

5、 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。复杂性是科学发展的必然结果，计算材料科学的产生和发展也是必然趋势，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，VIENNAABIN

6、ITIOSIMULATIONPACKAGE(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333 和 444。原子完全弛豫，直至各原子之间的力小于 0.01eV-1，结构弛豫结束。五、课程设计思路、步骤：1、打开 FINDIT 软件，查找 MoS2，选择晶胞参数为 3.16，如

7、下图 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，调整原子为合适大小，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

8、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。调整完后可得到下图（图 4），最后保存文件，命名为 icsd.vasp。图 4 4、将 icsd.vasp 文件用 Uedit32 打开，可以得到 MoS2 晶胞的坐标数据。5、计算部分:采用了基于密度泛函理论的第一性原理计算

9、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 333 和 444。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）打开 Xshell 软件，建立会话并进入自己的分

10、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。创建新的文件夹 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 444。同样输入运行代码 nohupmpir

11、un-np 8vasp_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 即可得到下图 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_

12、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，即可得到下图 6 图 6 8、再创建文件夹 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 ToolsBrillouin zone path 可得到下图 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。