计算材料学.ppt
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1、计算材料学 虚拟实验,一. 材料模拟/计算的意义 二. 计算机实验(模拟)的概念与步骤 三. 计算软件MedeA简介和应用实例 四. 我们的目标和存在的问题 五. 总结,胡锦涛总书记亲自为徐光宪院士颁奖,一. 材料模拟/计算的意义,“进入21 世纪以来,计算方法与分子模拟、虚拟实验,已经继实验方法、理论方法之后,成为第三个重要的科学方法,对未来科学与技术的发展,将起着越来越重要的作用。 ” 徐光宪院士 北京宏剑公司荣誉顾问 第四届国际理论化学、分子模拟和生命科学研讨会荣誉主席,2009 年1 月9 日上午,中共中央、国务院在北京隆重举行国家科学技术奖励大会。党和国家领导人胡锦涛、温家宝、李长春
2、、习近平、李克强出席大会并为获奖代表颁奖。北京宏剑公司荣誉顾问徐光宪院士获得2008 年度国家最高科学技术奖。,徐光宪(1920- ),1951年获美国哥伦比亚大学博士学位,北京大学教授。从事量子化学、化学键理论和稀土科学等领域的教学和研究。提出普适性更广的(nxc)格式和原子共价的新概念及其量子化学定义,根据分子结构式便可推测金属有机化合物和原子簇化合物的稳定性。建立了适用于研究稀土元素的量子化学计算方法和无机共轭分子的化学键理论。合成了具有特殊结构和性能的一系列四核稀土双氧络合物。1980 年当选为中国科学院院士。,一. 材料模拟/计算的意义,科学计算已经是继理论科学、实验科学之后,人类认
3、识与征服自然的第三种科学方法。 原南开大学校长候自新,一. 材料模拟/计算的意义,美国若干个专业委员会(1989) 现代理论和计算机的进步,使得材料科学与工程的性质正在发生变化。材料的计算机分析与模型化的进展,将使材料科学从定性描述逐渐进入定量描述阶段。 90年代的材料科学与工程,美国国家科学研究委员会(1995) 材料设计(materials by design)一词正在变为现实,它意味着在材料研制与应用过程中理论的份量不断增长,研究者今天已经处在应用理论和计算来设计材料的初期阶段。 材料科学的计算与理论技术,It has always been a dream of materials r
4、esearchers to design a new material completely on paper, optimizing the composition and processing steps in order to achieve the properties required for a given application.,Gerbr and Ceder, “Computational Materials Science: Predicting Properties from Scratch”, Science, Vol280, Issue 5366, 1099-1100
5、 , 15 May 1998,一. 材料模拟/计算的意义,Science文章所列举的计算材料设计的成功应用 1. 设计新型材料和器件 i. 高性能磁光记录材料:Tb/Bi/FeCo与Tb/Pb/FeCo超晶格 ii. 超硬材料:C3N4(硬度可以媲美金刚石?) iii. 新型锂电池阴极材料:LixCoO2的替代品,Al替代Co? 2. 预言晶体结构(e.g.,针对70种合金,120晶体进行10000个第一性原理能量 计算,六个月) 3. 计算材料相图 4. 获得实验难以实现的极端条件下(如高温、高压)的材料结构与物性,N. Quirke, Mol. Sim., 2001(26)1,大多数材料的
6、结构和性质并不为人所知。按照传统材料设计爱迪生式方法进行材料制备、测试、分析,再结合理论研究,成本高、周期长。下面的对比充分说明了材料研究中虚拟实验的重要价值。,一. 材料模拟/计算的意义,Celanese公司需要从300个候选物中找到新的共混材料。但是由于此类实验周期长(实验周期从1个月到1年不等),实验投入大(据IDC调查,每个实验约花费500-30000美元,我们这里选取1000美元)。所以Celanese公司使用虚拟实验方法对候选物进行预处理,并从中选出了30个最佳候选物进行试验,并最终得到所需材料。,N. Quirke, Mol. Sim., 2001(26)1,Computatio
7、nal R&D is growing in relative importance Modeling R&D grows much faster than experimental research,总之,以量子理论为基础、以高性能计算为手段进行新材料的“理性设计”,将是二十一世纪材料学的特色之一。这样的研究方式完全顺应目前倍受整个社会重视和倡导的绿色环保的思想,使材料学成为与生态环境协调发展的、更高境界的材料学。,1. 计算材料学的概念 2. 计算机实验(模拟)的概念与步骤 3. 多尺度材料模拟方法简介,1. 计算材料学的概念 计算材料学是近年里飞速发展的一门新兴交叉学科。它综合了凝聚态物理
8、、材料物理学、理论化学、材料力学和工程力学、计算机算法等多个相关学科。本学科的目的是利用现代高速计算机,模拟材料的各种物理化学性质,深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与特征,并对于材料的结构和物性进行理论预言,从而达到设计新材料的目的。 本学科目前尚无统一的称呼, 计算材料学(Computational materials science), 计算材料模拟(Computational materials simulation) 计算材料设计(Computational materials design) 计算凝聚态物理(Computational condensed matter ph
9、ysics) 虚拟实验等称谓往往同时使用。,2. 计算机实验(模拟)的概念与步骤,明确所要研究的物理现象 发展合适的理论和数学模型描述该现象 将数学模型转换成适于计算机编程的形式 发展和/或应用适当的数值算法 编写模拟程序 开展计算机实验,分析结果,基于原子尺度建模和高性能计算的原子模拟(Atomistic Simulation),是沟通理论与实验、微观与宏观的桥梁。,3. 多尺度材料模拟方法简介 第一性原理方法(First-principles methods):从量子力学出发,通过数值求 解Schrdinger方程,计算材料性质。 优点:(a)可以给出电子和结构/力学行为的信息;(b)可以
10、描述化学键的断裂和重 组,或电子的重排(如化学反应);(c)理论方法通常提供了系统提高精度 的方案;(d)原则上,只需要原子的种类和坐标作为输入就可以精确计算材 料的性质。 缺点:(a) 数值计算的计算量很大;(b)只限于研究较小的尺寸体系(数百个原子 以内)和瞬时现象(数十ps)。 (2) 半经验方法(Semi-empirical methods):从第一性原理方法出发作必要的简化,例如只处理价电子,将Hamiltonian参数化,采用从第一性原理计算或实验得到的参数等。 优点:(a)仍然可以描述化学键的断裂和重组,或电子的重排等过程;(b)与第一 性原理方法相比,可以处理更大更复杂的系统(
11、原子数达到数千)或模拟 较长的时间尺度(时间达到数十ns)。 缺点:(a) 难以确定计算结果的可靠性;(b) 需要实验或从头计算结果作为输入; (c)方法中采用经验参数,存在可移植性的困难。,(3) 经验原子模拟(Empirical atomistic simulation):采用经验势或力场, 结合统计力学,确定系统的热力学和输运行为。 优点:(a) 可以模拟复杂系统的微观结构(含104-6原子);(b) 可以模拟较长 时间尺度的过程(时间达到s量级)。 缺点:(a) 结果依赖于所采用力场的质量;(b)许多物理现象(如固体中的扩 散、化学反应、蛋白质折叠等)所发生的时间和空间尺度,采用经验原
12、 子模拟是无法达到的。 (4) 介观方法(Mesoscalemethods):对于原子模拟方法引入适当的简化来 去除较快的自由度,和/或将一组原子(“物质滴”,blobs of matter)作为通 过有效势相互作用的独立个体来处理即进行粗粒化(coarse graining)。 优点:(a)可以用来复杂体系(含108-9原子)的结构特性;(b)可以研究微观 模拟方法所无法达到的时间尺度(秒量级)上的动力学过程。 缺点:(a) 只能描述定性趋势,所得到的定量结果的精度难以确定;(b)在很 多情况下,模拟所引入的近似限制了对问题的物理解释。 (5) 连续体方法(Continuum methods
13、):假定材料是连续体,将系统的各种 性质处理为场变量。数值求解唯象方程预言材料的性质。 优点:原则上可以在上处理任意宏观尺度的系统和较长时间尺度上的动力学 行为。 缺点:(a)需要从实验或者更低尺度模拟获得的材料信息(如弹性系数、扩散 系数、状态方程等)作为输入,而这些数据可能很难得到;(b)无法 解释与分子水平上或与电子结构相关的结果。,1. 简介 2. 应用实例,1.简介: MedeA是Materials Design公司专门为材料科学领域研究者设计的以VASP软件包为核心的计算模拟软件平台。它囊括了实验结构数据库和高品质计算方法,提供先进的结构建立和分析工具,图形用户界面和作业自动控制工
14、具。该软件可应用于设计和开发新材料的领域,使材料具有特定的优化性能。,2. 例子1材料中原子分子的迁移,Fig.3 Energy profile for the N2 diffusion path. The migration barrier energy is 2.36 eV.,(1) PRL 95, 025901 (2005) PHYSICAL REVIEW LETTERS Ab Initio Identification of the Nitrogen Diffusion Mechanism in Silicon Nathan Stoddard, Peter Pichler, Gerd
15、Duscher, and Wolfgang Windl,FIG. 2 Low activation barrier diffusion series for a nitrogen pair (in purple) moving through the silicon lattice (gray) in (100) projection. The first and last configurations are equivalent, and the energetics are provided in Fig. 3.,The Journal of Chemical Physics 128,
16、134106, 2008,Diffusion of O between hollow sites on Au(111),Daniel Sheppard, Rye Terrell, and Graeme Henkelmana,2. 例子2更准确的带隙计算 PRL 99, 246403 (2007) PHYSICAL REVIEW LETTERS M. Shishkin, M. Marsman, and G. Kresse,DFT and scGW band gaps with and without attractive electron-hole interaction (vertex cor
17、rections in W).,(储氢材料),2. 例子4纳米体系的结构和电子性质,2. 例子5催化、表面吸附,2. 例子6界面,2. 例子7锂离子电池,1. 目标 2. 购买MedeA计算软件的必要性 3. 服务器的选购和安放 4. 本课程的讲授方式和目标 5. 现在面临的问题 6. 当务之急,1.目标 (1) 购买MedeA计算软件 (30万) (2) 购置HP高性能服务器(20万) (3) 建立计算材料学虚拟实验室 * 有一套相对完整、名正言顺的教学软件。 * 有一个宣传和交流的平台。 * 有一门有特色的课程: a.课件来源于高影响因子的科研论文,将优秀的、典型的科研成果,转化为优 秀的
18、教学内容; b.学生在教室里重复论文的科研工作,起点高,有成就感; c.利用软件这一载体,学生可以综合使用已学过的知识,充分发挥个人的潜力; d.教员跟踪最新的文献,及时将新的计算方法、新的研究对象引入教材,使得 教学内容随理论发展、软件升级而同步更新、丰富。针对科大高年级本科生、 研究生这样具有基础知识的学习群体,确保教学与科研紧密关联这一特色。 (4) 凝聚一个团队,基于傅正平、张文华、武晓君材料计算的经验和国外工作的经 历,以免费计算软件Quantum-ESPRESSO 、Siesta等为基础,结合14系材料制 备的具体需求,开发自主的材料计算软件。以期在国内、最终在国际上,有一 个实在
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