MaterialsStudio软件在《硅材料科学与技术》教学中的应用

吴玉辉　吴盼

摘 要：Materials Studio是一系列先进的材料设计、计算模拟程序包，由友好而功能强大的Visualizer使用界面加以整合，具有强大的三维可视材料分子建模能力。程序包中的CASTEP模块采用平面波贋势基组结合密度泛函理论，对周期性材料体系进行理论计算模拟，是一个功能强大的材料学研究工具。采用Materials Studio 程序包，对《硅材料科学与技术》这门课程的知识点及基本原理进行操作、演示及计算，可以使教学内容更加形象、生动、丰富，知识点更易于被学生理解，是教学环节的一个必要补充。对提升教学质量、提高教学效率、激发学生的学习兴趣、促进其专业技能和素质的培养都具有一定的促进作用。本文旨在探索教学方法的改进及创新，为材料科学的学科建设及教学方法的探索提出有益的尝试。

关键词：硅材料科学与技术；Materials Studio；CASTEP；计算模拟；教学方法

《硅材料科学与技术》是材料学院相关专业的重要专业课，在学习半导体物理、晶体物理、固体物理等课程的基础上，学习半导体硅材料的基本性质、制备工艺、结构和性能等方面的知识。在教学过程中，如果能形象生动地展开教学活动，直观地解释相关的物理概念、现象、过程、结构及状态等。因此，在学习基础理论的同时，采用Materials Studio计算模拟软件对半导体硅材料进行模拟计算，培养学生的自主创新和动手动脑能力。为后续课程的学习、技能的培养和将来的研究工作打下基础。

1 Visualizer可视化分子建模界面结合《硅材料科学与技术》教学环节的设计

1.1 简介

Materials studio材料计算模拟软件是美国Accelrys 公司为材料科学领域开发的一款科学计算模拟软件，用于帮助科研工作者解决当今材料科学中的一些重要问题。因此《硅材料科学与技术》中的物理及化学性质，所涵盖的知识点及概念可以利用Materials Studio 软件建模并计算，功能强大，操作简单直观。在此基础上也能进行位错及缺欠的构建；构建超晶胞；计算弹性模量；电子光谱与介电常数；红外、拉曼光谱；声子谱及声子态密度；电子结构及密度的可视化等等。

1.2 硅单晶胞的导入及超胞的建立

Materials Studio/Visualizer程序包内建了很多常用的晶体结构，包括半导体硅材料的晶体结构。通过Visualizer 模块中的File-〉Import-〉Structure-〉semiconductors->Si.msi功能导入程序内建的硅单晶结构，并三维可视化。在此晶体结构基础上进行超晶胞拓展。其操作为Visualizer 模块中的File-〉Build-〉Symmetry-〉Supercell，在弹出的Supercell对话框中的Supercell range： A： B： C：空白处填入想要生成的超晶胞维度，接着再按下Create Supercell 按钮就可生成硅的超晶胞。之后需要通过File-〉Build-〉Symmetry-〉Make P1 操作来降低超晶胞的对称性。下图1给出了导入的Si单晶胞的堆积结构。

2 CASTEP模块在教学中的应用

CASTEP（Cambridge Sequential Total Energy Package 的缩写）是专为固体材料科学设计的当前最高水平的量子力学软件包之一，下面我们简要举两个例子讲述如何应用Materials Studio & CASTEP 软件讲解相关知识和概念。

2.1 能带结构及态密度的计算及演示

在导入Si晶胞的基础上，转化成元胞，依次操作Visualizer 模块中的File-〉Modules-〉CASTEP-〉Calculation，在弹出的对话框中设置，设置完成后按Run 按钮进行运算，计算之后，操作File-〉Modules-〉CASTEP-〉Analysis，选取Band Structure，然后按View，则显示出能带结构。对比教科书上的图形，可以为学生讲解半导体硅材料本证半导体是间接带隙半导体材料。

2.2 电子光谱与介电函数的计算

半导体硅单胞的计算，Setup选单如下，Propertities选单勾选Optical properties。这里需要注意Empty bands 的预设值往往不够，应由收敛性测试来加以确定，如果没有做收敛性测试而没有线索，则先用占据之价带数的两倍作为初始值较为合适，尤其是超晶胞内原子较多时，计算更应注意此值得设定要符合要求。之后按下run进行运算，job运行完成后，点选波浪选单里的Analysis开始分析。点选Optical properties 然后可以看到Function里有很多选项。查看介电函数则选择Dielectric Function。在Calculation选项里选择Polycrystalline，然后按下View之后就可以得到结果了，如图2所示。

3 总结

Materials Studiao 具有强大的建模功能，并自带有很多晶体数据；而CASTEP 计算模块可以很方便的计算出《硅材料科学与技术》课程中涉及的很多基础概念，在教学过程中恰当地运用此类计算模拟软件，通过可视化图形展示，能够激发学生兴趣、促进其动手和理论联系实际的能力。教学过程更加生动，形象，引人入胜。能激发学生的学习兴趣，提高教学质量和效率，促进材料科学教学工作的改进

参考文献

[1]于永宁 《材料科学基础》 高等教育出版社，2005，9

[2]杜永胜《Materials Studio 在固体物理教学中的应用》技术物理教学，2009年，第3期

[3][美] C.基泰尔 （CHARLES KITTEL）《固体物理导论》项金钟 吴兴惠译 化学工业出版社 2010年 原著第八版

[4]吴玉辉 等 《简析计算模拟软件对材料科学教学的促进作用》 吉林省教育学院学报 2012，12.

作者简介

吴玉辉，长春理工大学材料科学与工程学院讲师， 博士。

吴 盼，吉林大学附属中学，教师。