材料第一性原理操作和试验方法

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1、第一性原理计算的软件实现及其在材料设计中应用报告人：曹勇博士生导师：朱景川教授2011.03.091概述2计算软件CASTEP的简介及工作环境3模型搭建4几何优化5计算结果分析6应用实例1概述第一原理计算指的是只依赖于基本的物理常数和原子质量，通过量子力学理论求解运动方程来确定电子行为，进而预测物质性质。由于不借助任何经验、半经验理论或试验结果，因此也被称为从头算方法（abinitiomethod)。仅需5个基本物理常数，即电子的静止质量m、电子电量e、普朗克常数h、光速c和波尔玆曼常数kB第一原理计算方法是从最基本和最简单的物理事实出发，计算结果往往能够具有很高的精确度

2、和可信度，成为独立与试验之外研究物质性质的又一利器。1第一原理的可靠性TotalEnergy,CohesiveEnergyMetalDFT-LDAExperimentNb0.550.56Mo0.490.50Rh0.450.42Pd0.270.28Totalenergyofatoms(Ry.)Cohesiveenergy(Ry.)StructuralProperties:MoleculesStructuralpropertiesofdiboraneabd1(Å)d2(Å)DFT-LDA121o98o1.321.20DFT-GGA122o97o1.331.19EXP122o9

3、7o1.331.19Diborne(3c-2ebond)Latticeconstant(a.u.)LDApredictslatticeconstantstowithin2%.Bulkmodulus(Mbar)LDApredictsbulkmodulustowithinafewpercents.StructuralPropertiesLatticeconstantMagnetism:BCCFe(DFT-GGA)-2-1012-8-6-4-2024Energy(eV)DOSMajorityspinMinorityspinMeasured:mB=2.22/atomCalcula

4、ted:mB=2.25/atom-2-1012-8-6-4-2024Magnetism:HCPCo(DFT-GGA)Energy(eV)DOSMajorityspinMinorityspinMeasured:mB=1.72/atomCalculated:mB=1.63/atomMagnetism:CCPNi(DFT-GGA)Energy(eV)DOSMajorityspinMinorityspin-1.5-1-0.500.511.5-8-6-4-2024Measured:mB=0.62/atomCalculated:mB=0.65/atomMagneticProperti

5、esMetalCrystalstructureatomicconfigurationMeaured(mB/atom)Calculated(DFT)(mB)FeBCC3d64s22.222.25CoHCP3d74s21.721.63NiCCP3d94s20.620.65由于在处理多电子体系相互作用时遇到的困难,第一原理在实际计算中也需要做一定程度的近似，不过这样的近似也都是基于物理上的简单假设和数学形式上的合理简化而得到的。Canthematerialspropertiesbeunderstoodknowingonlytheidentities(atomicnumbers)

6、oftheirconstituentatoms?CSiGeNBStructuralproperties?Electronicproperties?Elasticproperties?opticalproperties?Phonondispersion?Magneticproperties?Superconductivity?2第一原理所能解决的问题HexagoalMo2CMo2C是合金钢中的二次硬化相，它均匀、细小、弥散的分布于基体中，具有极高的硬度和良好的高温稳定性。①合金钢中合金元素种类繁多，是否存在其他的碳化物相，如Cr2C、V2C、Ni2C来取代其作用。②Mo2C

7、是否具有其他更加稳定的结构③空位或其他原子置换对其稳定性和性能有何影响2第一原理所能解决的问题OrthorhombicandHexagonalFe3C晶体结构的稳定性判定虚拟相、亚稳相、稳定相。研究晶格常数和原子所处位置对晶体结构稳定性的影响。对于组成元素确定的体系，可能存在不同的晶体结构。分别对不同的晶体结构的能量极小值进行计算，比较不同晶体结构的能量极小值，便可确定稳定的晶体结构。2第一原理所能解决的问题MaterialPropertiesfromFirst-PrinciplesFromfirstprinciples!Pr