简析材料计算模拟软件和方法对材料科学教学的促进作用

2012-09-18吴玉辉

长春教育学院学报 2012年11期

吴玉辉,吴盼

吴玉辉,吴盼

摘要：材料科学的教学注重理论联系实际，透过材料的宏观性质，剖析其内在的微观机理，因此，如何形象生动地展开教学、提高教学效率、激发学生的学习兴趣、培养其专业技能和素质，都是重要的教学目标。在教学过程中引入Materials Studio、Gaussian等计算模拟软件，对相关知识点及原理进行演示和计算分析，可以从材料科学的教学设计和教学手段上加以改进，使教学内容更加形象，知识点更易于被学生理解。此过程有利于培养学生自主学习和实践能力，同时对提高教学质量和课堂效率具有促进作用。

关键词：材料科学;计算模拟软件;Materials Studio;Gaussian;教学方法

吴玉辉/长春理工大学材料科学与工程学院讲师，博士（吉林省长春市130022）；吴盼/吉林大学附属中学教师（吉林省长春市130021）。

材料科学是结合物理学、化学、电子学、晶体学等多个相关学科知识和内容的一门学科，也是一门与工程技术密不可分的应用科学。教学目标不但要求学生掌握材料的宏观性质、加工制备、开发应用等多方面知识和内容，还要求学生深入学习其内在的物理和化学原理，从而建立起微观结构和宏观性质之间的联系，理解并掌握光、电、磁这些材料基本性能的内在本质，最终具有把理论知识和技能应用到工程实践中去的能力。因此在材料科学的教学过程中，要注意理论联系实际，剖析与材料性质相关的微观机理。

理论计算模拟方法是目前国际上流行的一种科学研究方法，目前已开发出很多优秀的软件和计算方法，如Materials Studio、Gaussian量化计算程序包、VASP程序包等等，把这些软件和方法应用于材料科学教学当中，可以使抽象的原理直观化，动态化，易于学生理解，并激发他们的学习兴趣。《论语》中曾说“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”，如何激发学生的学习兴趣是教学中的一个重要环节，学生学习兴趣的提高将很大程度上提高教学质量和授课效率。通过对材料的结构分析、计算模拟，可以从更深的微观层面对材料的宏观性能给出解释，揭示其内在规律性，使教学过程达到一个更高及更全面的认知程度。在此过程中，可以使学生巩固基本知识，增强综合学科素养，并把所学的理论知识应用到实践当中，为以后的学习和科研打好基础。

一、Materials Studio软件在教学中的应用

(一)简介

材料计算模拟软件Materialsstudio是美国Accelrys公司为材料科学领域开发的一款科学研究软件，用于帮助用户解决当今材料科学中的一些重要问题。MaterialsStudio软件包集成了Visualizer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十几个计算模拟模块，是一款强有力的计算模拟工具。用户可以通过Visualizer可视化模块进行一些简单的界面操作来建立材料分子的三维结构模型，之后通过软件包中相应的计算模块，对材料分子的构型优化、性质预测、X射线衍射分析及量子力学方面进行计算。通过计算得到的结果可以对各种晶体、无定型与高分子材料的性质及相关过程进行深入的分析和研究，其计算的结果精确可靠。CASTEP是Cambridge Sequential Total Energy Package的缩写，最早由英国剑桥大学的一个凝聚态理论小组开发，是广泛用于计算周期性体系性质的一个先进量子力学程序。它可用于金属、半导体、陶瓷等多种材料的相关计算，可研究晶体材料的光学性质（折射率，反射率，吸收及发射光谱等）、缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、电子结构（能带及态密度）、体系的三维电荷密度及波函数等。

（二）教学环节设计

1.知识点的设置。在材料科学的专业课中，如晶体物理、固体物理、半导体物理学、硅材料科学与技术等课程中,都会涉及材料的晶体结构，能带结构，带隙的分类，X射线衍射、缺陷，掺杂等知识点，也会涉及到材料的反射率、折射率、介电常数等材料的光学或化学性质。在完成这些基础知识点的讲解后，可以利用MaterialsStudio软件进行计算和演示，为这些基础理论给出直观形象的解释，把材料的宏观性质与微观机理衔接上，这样学生对材料科学的知识体系就会有一个整体的认识和了解。

2.密度泛函理论及波函数的介绍。密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法，其本质是以电子密度分布函数为变量代替波函数中的自变量来求解薛定谔方程，使求解复杂体系波函数的本征值成为可能。目前，密度泛函理论已广泛应用于物理、化学及材料相关领域，特别是用来研究分子和凝聚态的性质。目前密度泛函理论DFT（Density Functional Theory缩写）被广泛应用到计算模拟软件中来求解薛定谔方程，可对材料的结构、性质、光谱、能量、过渡态结构和活化势垒等方面的进行计算研究。在与分子动力学结合后，在材料设计、合成、模拟计算等方面有明显进展，成为计算材料科学的重要基础和核心技术。

3.软件的操作及相关内容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多个计算模块是通过Visualizer这个可视化核心模块整合在一起的，用户可以很方便地应用Visualizer模块构建有机、无极、聚合物、金属等材料分子、及周期性的晶体材料、表面、层结构等模型，通过鼠标控制这些分子构型，可从不同角度查看并分析体系结构，容易形成直观的概念。MaterialsStudio自带的数据库中的晶体结构可以用于教学演示，如在硅材料科学与技术和半导体物理等课程的教学过程中，需要用到单晶硅的晶体结构，可以很方便地从Materials Studio软件的Structures/semiconductors数据库文件夹中导入Si这个晶体数据文件，在课堂上为学生们演示，从（100）、（110）、（111）不同的晶面来进行展示（如图1），以说明硅单晶的晶体结构。也可以通过Visualizer模块中的菜单选项Build-＞Symmetry-＞Supercell建立n×n超胞结构，通过调整角度，可以从不同晶向观察晶体的晶面，通过超胞结构也可以演示各种晶体的密堆积结构。这样就给学生一个生动、形象、直观动态的概念，使其易于在头脑中建立空间模型，理解所学知识点。

图1 硅单晶的（100）、（110）、（111）晶面示意图

通过Visualizer模块对硅单晶的元胞进行演示，我们可以知道每个硅原子至多与另外四个硅原子相连，借此可以说明硅原子的共价键取向及硅晶体属于金刚石型结构，源于硅原子的sp3杂化，形成了四个共价键。通过CASTEP模块对硅单晶的元胞进行计算，可以得出其能带结构和态密度，通过对计算结果的分析，可以得出硅单晶材料的带隙特点。

在稀土化学的教学过程中，可以通过CCDC英国剑桥晶体数据库及Web of Science网站来获取稀土配合物的晶体结构，然后通过MaterialsStudio Visualizer读出晶体结构，用于课堂演示，有助于学生理解复杂的稀土配合物结构。

在固体物理教学过程中，可以利用MaterialsStudio中的Reflex模块模拟粉晶体材料的X光、中子以及电子等多种衍射图谱,可用于验证实验结果及演示教学。

4.知识点的拓展。对于缺陷、杂质掺杂、空位等对晶体材料的影响，可以通过Materials Studio中Visualizer模块建立相应的模型，然后通过CASTEP计算模块进行计算。通过对计算结果的分析，说明这些因素对半导体材料性质的影响。MaterialsStudio软件同样可以计算材料的折射率、反射率、介电常数等性质。其计算的结果数据和图表可以与教科书或文献上的数据图表进行对比，来说明计算方法的正确性，以此为支点，采用同样的计算方法，我们可以尝试设计更多的新型材料并进行计算。通过这些详实的计算实例我们可以更生动地说明教学中的知识点，学生可以根据自己的兴趣爱好，尝试进行材料分子模型的设计并进行模拟计算。通过计算结果的对比，可以初步探讨晶体中缺陷、杂质、空位等因素对材料性质的影响，在此过程中增加了学生的学习自主性和兴趣。

二、GaussianView和Gaussian软件在教学中的应用

（一）简介

Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包。应用它可以计算分子能量和结构、过渡态的能量和结构、化学键以及反应能量、分子轨道、热力学性质、反应路径等等，功能非常强大。计算可以模拟气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态，进而通过含时密度泛函研究材料分子体系的激发态，算出吸收和发射光谱。Gaussian扩展了化学体系的研究范围，可以对周期边界体系进行计算，例如聚合物和晶体。周期性边界条件的方法(PBC)技术把体系作为重复的单元进行模拟，以确定化合物的结构和整体性质。

而GaussianView是一款为Gaussian设计的配套软件，其主要作用有两个：1.构建Gaussian的输入分子模型，2.以图形显示Gaussian程序的运算结果。

（二）知识点的设置

1.在材料科学有机电致发光材料及稀土化学课程的教学过程中，会涉及到有机或稀土发光材料的吸收及发射机理。通过把Gaussian软件教学过程，我们可以很好结合这些算例讲解三重态，单重态发射过程，给出与发射过程相关的分子最高占据轨道HOMO和最低非占据轨道LUMO的电子密度图，这样就可以很形象地解释发射过程中的电子转移过程，对低能吸收和发射过程的电子跃迁性质进行判断。

2.软件的操作及相关内容的演示。(1)通过CCDC晶体数据库或者Web of Science网站获得相应的配合物或者稀土配合物晶体的晶体结构（通常为cif文件）。(2)应用Mercury软件或者Materials Studio软件读取相应的晶体结构，转存为GaussianView程序可以读取的格式（一般选用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通过Gaussian-View转存为Gaussian输入程序（*.gif-Gaussian input file)。(3)采用Gaussian程序进行计算。(4)通过GaussianView程序读入Gaussian 03/09计算结果，通常为log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地读取Gaussian的计算结果并且以图形的形式显示出来，并可应用它对计算结果进行分析。(5)通过GaussianView对计算结果的进行处理，通过它显示出发光材料的分子轨道电子云密度分布情况，吸收光谱，发射光谱等情况，结合这些图形信息，我们可以对有机电致发光材料或者稀土发光材料的发光机理进行教学。

图2 GaussianView分子建模

图3 Gaussian计算得出吸收光谱及Gaussian计算出的HOMO和LUMO轨道单电子密度图

3.知识点的拓展。GaussianView是由Gaussian公司开发的一款非常好的分子建模及显示工具，学生可以通过对它的使用，很方便地进行分子设计并输入到高斯程序中进行计算。可以安排学生在基础发光材料分子的基础上，在分子配体的外围添加外围取代基或者改变配体，进行尝试，进行配合物分子的设计，增强其动手能力，为今后走进实验室进行有机合成做准备。