Materials Studio软件在物质结构教学中的应用

李延伟 姚金环 杨建文 利 明

桂林理工大学化学与生物工程学院 广西桂林 541004

为了进一步优化研究生知识结构，更好地体现研究生教育的特点，我校化学工程与技术一级学科硕士学位授权点和化学工程专业型硕士学位授权点开设了物质结构课程。该课程内容的两大核心内容—电子结构和空间结构及材料性能，是化学、化工、材料等相关学科学生在更深层次理解物质结构与物性本质的阶梯，对培养研究生从微观层次上分析问题、拓展思路、抓住问题的本质，提高理论联系实际能力和科学思维能力起着重要的作用[1,2]。然而物质结构课程涉及大量的数学物理知识、理论性强、概念非常抽象，学生普遍感到不容易理解和掌握，教学难度较大。随着计算机技术的进步和理论计算模拟方法的发展，通过化学计算软件很容易将物质的很多微观结构信息以3D图像的形式直观、清晰地展现出来[3,4]。为了有效地突破课程教学难点，我们将计算模拟软件引入课堂教学。实践表明，通过3D图形将物质的微观结构可视化，将抽象、复杂的概念形象化，将使物质结构教学过程变得形象生动、直观清晰，这对突破物质结构教学难点，提高教学效果和学生的学习兴趣将起到非常积极的作用。本文将结合实例介绍，如何利用Materials Studio模拟软件构建和分析材料的晶体结构、能带结构、态密度和差分电荷密度等概念。

1 Materials Studio软件简介

Materials Studio软件包由美国Accelrys公司出品，是专门为材料科学领域研究者开发的一款可在计算机上运行的模拟软件。该软件集量子力学、分子力学、介观模型、分析工具模拟和统计相关为一体，可以帮助解决当今催化剂、固体及表面、晶体与衍射、聚合物、化学反应等材料和化学研究领域的一系列重要问题。Materials Studio软件支持Windows，Linux以及Unix等多种操作平台，能方便地构建材料的三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究。材料的构型优化、性质预测和X射线衍射分析以及复杂的动力学模拟和量子力学计算，都可以通过Materials Studio软件的一些简单易学的操作得到较为可靠的数据。目前，该软件被广泛应用于化工、石化、石油、制药、食品、电子、汽车和航空航天等工业及教育研究部门。

2 Materials Studio软件在物质结构教学中的应用

2.1 材料晶体结构建模

Materials Studio软件的Visualizer模块提供了构建材料结构模型所需要的所有工具，可以操作、观察及分析结构模型，并提供软件的基本环境和分析工具，是该软件的核心模块。这里以V2O5材料为例，利用Visualizer模块构建V2O5的晶体结构。V2O5空间群为 Pmmn，原子坐标V (0.851 18，0.0，0.891 70)；O1(0.0，0.0，0.001)；O2(0.854 3，0.0，0.531)；O3(0.681 1，0.0，0.003)，单胞晶格常数为a=11.512 Å，b=3.564 Å，c=4.368 Å[5]。根据以上参数，通过Visualize建立的V2O5单胞如图1所示。可以看出，V2O5晶体具有典型的层状结构，每层中V原子与周围的5个O原子形成V-O键，V原子处于畸变的[VO5]四方锥体中间，O原子位于顶点处，[VO5]四方锥以共顶点和共边的方式相互连接，形成平面结构。

图1 V2O5单胞

2.2 材料的电子结构分析

采用CASETP模块中基于密度泛函理论的交换关联函数(GGA)方法计算V2O5的电子结构。图2是利用CASTEP计算得到的V2O5的能带结构和态密度图。从图2c可以看出，V2O5是间接带隙半导体，价带顶位于0 eV，导带底位于2.03 eV，间接带隙值为2.03 eV，对应与从U点到G点的跃迁。在费米能级以上约2 eV处，有一个由两条能带组成的非常扁平的劈裂带，宽度约为0.6 eV，说明此处电子具有很强的定域性，电子迁移率很低。态密度是单位能量间隔内的电子态数目，可以作为能带结构的一个更直观的可视化结果。对比图2a，图2b可以看出，能带越平对应的态密度值越大，能带约宽对应的态密度值越小。从图2d可以看出，费米能级附近的态密度是由O和V共同贡献的，即O和V的态密度有显著的交叠，说明O原子和V原子之间形成了较强的化学键。仔细对比可以发现，略低于费米能级处的态密度主要由O贡献，高于费米能级附近的态密度主要由V贡献。

图2 V2O5的能带结构和态密度图(图b和d分别是图a和c的局部放大图)

图3 a是利用CASTEP计算得到的V2O5差分电子密度等值面图，图中深灰色区域表示富电子区，黄色区域表示贫电子区，可以看到V和O之间存在明显的电荷转移，V原子失去电子带正电，O原子得到电子带负电。从图3b的差分电子密度切面图可以更清楚地看到O附近的电荷密度为正值、带负电，V原子附近的电荷密为负值、带正电。V原子和O原子之间存在一定的电荷富集区，表明V2O5中V-O键是具有一定共价键成分的离子键。

图3 V2O5的差分电荷密度图(a为等值面立体图，b为切面图)

3 结语

Materials Studio是一款功能强大的计算模拟软件，它能优化物质的晶体结构、计算物质的电子结构，并将这些信息图形化。在物质结构教学中采用Materials Studio模拟软件进行辅助教学，不仅能使抽象的理论和概念变得直观、形象、易于理解，还能提高教学效率、激发学生的学习兴趣。因此，有必要发掘和利用这类软件，使其在物质结构及其他相关课程教学中发挥更大的作用。

参考文献

[1]李俊清,何天敬,王俭.物质结构新教学体系的研究与实验[J].研究生教育研究,1990(2):57-58.

[2]徐光宪.编著《物质结构》教材的一些体会[J].大学化学,1989,4(6):15-17.

[3]李延伟,姚金环, 杨建文.量子化学计算软件在物质结构教学中的应用[J].中国现代教育装备,2012(5):8-9.

[4]侯秀丽.材料工作室软件在《计算材料学基础》本科教学中的应用初探[J].考试周刊,2016(68):114.

[5]Laubach S, Schmidt P C, Thissen A, et al. Theoretical and experimental determination of the electronic structure of V2O5,reduced V2O5-x and sodium intercalated NaV2O5[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2007, 9(20):2564-2576.