计算材料学

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、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(nxcπ)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（materialsbydesign）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》Ithasalwaysbeenadreamofmaterialsresearcherstodesignanewmaterialcompletelyonpaper,optimizingthecompositionandprocessingstepsinordertoachievethepropertiesrequiredforagivenapplication.GerbrandCeder,“ComputationalMaterialsScience:PredictingPropertiesfromScratch”,Science,Vol280,Issue5366,1099-1100,15May1998一.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）的材料结构与物性实验上已知的材料种类和可能的种类的数量之比较传统实验vs.虚拟实验N.Quirke,Mol.Sim.,2001(26)1大多数材料的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)1一.材料模拟/计算的意义ComputationalR&DisgrowinginrelativeimportanceModelingR&Dgrowsmuchfasterthanexperimentalresearch一.材料模拟/计算的意义总之，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。二.计算机实验(模拟)的概念与步骤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二.计算机实验(模拟)的概念与步骤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、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（Computationalmaterialsscience），计算材料模拟（Computationalmaterialssimulation）计算材料设计（Computationalmaterialsdesign）计算凝聚态物理（Computationalcondensedmatterphysics）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，分析结果二.计算机实验(模拟)的概念与步骤基于原子尺度建模和高性能计算的原子模拟(AtomisticSimulation)，是沟通理论与实验、微观与宏观的桥梁。二.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)第一性原理方法（First-principlesmethods）：从量子力学出发，通过数值求解Schrödinger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-empiricalmethods）：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（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。二.计算机实验(模拟)的概念与步骤(3)经验原子模拟（Empiricalatomisticsimulation）：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μs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”，blobsofmatter）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（coarsegraining）。􀀹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（Continuummethods）：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。二.计算机实验(模拟)的概念与步骤1.简介2.应用实例三.计算软件MedeA简介和应用实例三.计算软件MedeA简介和应用实例1.简介:MedeA是MaterialsDesign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。三.计算软件MedeA简介和应用实例2.例子1－材料中原子分子的迁移Fig.3EnergyprofilefortheN2diffusionpath.Themigrationbarrierenergyis2.36eV.(1)PRL95,025901(2005)PHYSICALREVIEWLETTERSAbInitioIdentificationoftheNitrogenDiffusionMechanisminSiliconNathanStoddard,PeterPichler,GerdDuscher,andWolfgangWindlFIG.2Lowactivationbarrierdiffusionseriesforanitrogenpair(inpurple)movingthroughthesiliconlattice(gray)in(100)projection.Thefirstandlastconfigurationsareequivalent,andtheenergeticsareprovidedinFig.3.NSi(2)TheJournalofChemicalPhysics128,134106,2008DiffusionofObetweenhollowsitesonAu(111)DanielSheppard,RyeTerrell,andGraemeHenkelmana三.计算软件MedeA简介和应用实例2.例子2－更准确的带隙计算PRL99,246403(2007)PHYSICALREVIEWLETTERSM.Shishkin,M.Marsman,andG.KresseDFTandscGWbandgapswithandwithoutattractiveelectron-holeinteraction(vertexcorrectionsinW).三.计算软件MedeA简介和应用实例(储氢材料)2.例子3－高压相变三.计算软件MedeA简介和应用实例2.例子4－纳米体系的结构和电子性质三.计算软件MedeA简介和应用实例2.例子5－催化、表面吸附三.计算软件MedeA简介和应用实例2.例子6－界面三.计算软件MedeA简介和应用实例三.计算软件MedeA简介和应用实例2.例子7－锂离子电池四.我们的目标和存在的问题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.当务之急四.我们的目标和存在的问题1.目标(1)购买MedeA计算