剖析材料科學教學的微觀機理

導語：剖析材料科學教學的微觀機理一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一、MaterialsStudio軟件在教學中的應用

(一)簡介材料計算模擬軟件Materialsstudio是美國Accelrys公司為材料科學領域開發的一款科學研究軟件，用于幫助用戶解決當今材料科學中的一些重要問題。MaterialsStudio軟件包集成了Visual-izer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十幾個計算模擬模塊，是一款強有力的計算模擬工具。用戶可以通過Visualizer可視化模塊進行一些簡單的界面操作來建立材料分子的三維結構模型，之后通過軟件包中相應的計算模塊，對材料分子的構型優化、性質預測、X射線衍射分析及量子力學方面進行計算。通過計算得到的結果可以對各種晶體、無定型與高分子材料的性質及相關過程進行深入的分析和研究，其計算的結果精確可靠。CASTEP是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage的縮寫，最早由英國劍橋大學的一個凝聚態理論小組開發，是廣泛用于計算周期性體系性質的一個先進量子力學程序。它可用于金屬、半導體、陶瓷等多種材料的相關計算，可研究晶體材料的光學性質（折射率，反射率，吸收及發射光譜等）、缺陷性質（如空位、間隙或取代摻雜）、電子結構（能帶及態密度）、體系的三維電荷密度及波函數等。

（二）教學環節設計1.知識點的設置。在材料科學的專業課中，如晶體物理、固體物理、半導體物理學、硅材料科學與技術等課程中,都會涉及材料的晶體結構，能帶結構，帶隙的分類，X射線衍射、缺陷，摻雜等知識點，也會涉及到材料的反射率、折射率、介電常數等材料的光學或化學性質。在完成這些基礎知識點的講解后，可以利用Mate-rialsStudio軟件進行計算和演示，為這些基礎理論給出直觀形象的解釋，把材料的宏觀性質與微觀機理銜接上，這樣學生對材料科學的知識體系就會有一個整體的認識和了解。2.密度泛函理論及波函數的介紹。密度泛函理論是一種研究多電子體系電子結構的量子力學方法，其本質是以電子密度分布函數為變量代替波函數中的自變量來求解薛定諤方程，使求解復雜體系波函數的本征值成為可能。目前，密度泛函理論已廣泛應用于物理、化學及材料相關領域，特別是用來研究分子和凝聚態的性質。目前密度泛函理論DFT（DensityFunctionalTheory縮寫）被廣泛應用到計算模擬軟件中來求解薛定諤方程，可對材料的結構、性質、光譜、能量、過渡態結構和活化勢壘等方面的進行計算研究。在與分子動力學結合后，在材料設計、合成、模擬計算等方面有明顯進展，成為計算材料科學的重要基礎和核心技術。3.軟件的操作及相關內容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多個計算模塊是通過Visualizer這個可視化核心模塊整合在一起的，用戶可以很方便地應用Visualizer模塊構建有機、無極、聚合物、金屬等材料分子、及周期性的晶體材料、表面、層結構等模型，通過鼠標控制這些分子構型，可從不同角度查看并分析體系結構，容易形成直觀的概念。MaterialsStudio自帶的數據庫中的晶體結構可以用于教學演示，如在硅材料科學與技術和半導體物理等課程的教學過程中，需要用到單晶硅的晶體結構，可以很方便地從MaterialsStudio軟件的Structures/semiconductors數據庫文件夾中導入Si這個晶體數據文件，在課堂上為學生們演示，從（100）、（110）、（111）不同的晶面來進行展示（如圖1），以說明硅單晶的晶體結構。也可以通過Visualizer模塊中的菜單選項Build->Sym-metry->Supercell建立n×n超胞結構，通過調整角度，可以從不同晶向觀察晶體的晶面，通過超胞結構也可以演示各種晶體的密堆積結構。這樣就給學生一個生動、形象、直觀動態的概念，使其易于在頭腦中建立空間模型，理解所學知識點。通過Visualizer模塊對硅單晶的元胞進行演示，我們可以知道每個硅原子至多與另外四個硅原子相連，借此可以說明硅原子的共價鍵取向及硅晶體屬于金剛石型結構，源于硅原子的sp3雜化，形成了四個共價鍵。通過CASTEP模塊對硅單晶的元胞進行計算，可以得出其能帶結構和態密度，通過對計算結果的分析，可以得出硅單晶材料的帶隙特點。在稀土化學的教學過程中，可以通過CCDC英國劍橋晶體數據庫及WebofScience網站來獲取稀土配合物的晶體結構，然后通過MaterialsStudioVisualizer讀出晶體結構，用于課堂演示，有助于學生理解復雜的稀土配合物結構。在固體物理教學過程中，可以利用MaterialsStudio中的Re-flex模塊模擬粉晶體材料的X光、中子以及電子等多種衍射圖譜,可用于驗證實驗結果及演示教學。4.知識點的拓展。對于缺陷、雜質摻雜、空位等對晶體材料的影響，可以通過MaterialsStudio中Visualizer模塊建立相應的模型，然后通過CASTEP計算模塊進行計算。通過對計算結果的分析，說明這些因素對半導體材料性質的影響。MaterialsStudio軟件同樣可以計算材料的折射率、反射率、介電常數等性質。其計算的結果數據和圖表可以與教科書或文獻上的數據圖表進行對比，來說明計算方法的正確性，以此為支點，采用同樣的計算方法，我們可以嘗試設計更多的新型材料并進行計算。通過這些詳實的計算實例我們可以更生動地說明教學中的知識點，學生可以根據自己的興趣愛好，嘗試進行材料分子模型的設計并進行模擬計算。通過計算結果的對比，可以初步探討晶體中缺陷、雜質、空位等因素對材料性質的影響，在此過程中增加了學生的學習自主性和興趣。

二、GaussianView和Gaussian軟件在教學中的應用

（一）簡介Gaussian是一個功能強大的量子化學綜合軟件包。應用它可以計算分子能量和結構、過渡態的能量和結構、化學鍵以及反應能量、分子軌道、熱力學性質、反應路徑等等，功能非常強大。計算可以模擬氣相和溶液中的體系,模擬基態和激發態，進而通過含時密度泛函研究材料分子體系的激發態，算出吸收和發射光譜。Gaussian擴展了化學體系的研究范圍，可以對周期邊界體系進行計算，例如聚合物和晶體。周期性邊界條件的方法(PBC)技術把體系作為重復的單元進行模擬，以確定化合物的結構和整體性質。而GaussianView是一款為Gaussian設計的配套軟件，其主要作用有兩個：1.構建Gaussian的輸入分子模型，2.以圖形顯示Gaussian程序的運算結果。

（二）知識點的設置1.在材料科學有機電致發光材料及稀土化學課程的教學過程中，會涉及到有機或稀土發光材料的吸收及發射機理。通過把Gaussian軟件教學過程，我們可以很好結合這些算例講解三重態，單重態發射過程，給出與發射過程相關的分子最高占據軌道HOMO和最低非占據軌道LUMO的電子密度圖，這樣就可以很形象地解釋發射過程中的電子轉移過程，對低能吸收和發射過程的電子躍遷性質進行判斷。2.軟件的操作及相關內容的演示。(1)通過CCDC晶體數據庫或者WebofScience網站獲得相應的配合物或者稀土配合物晶體的晶體結構（通常為cif文件）。(2)應用Mercury軟件或者MaterialsStudio軟件讀取相應的晶體結構，轉存為GaussianView程序可以讀取的格式（一般選用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通過Gaussian-View轉存為Gaussian輸入程序（*.gif-Gaussianinputfile)。(3)采用Gaussian程序進行計算。(4)通過GaussianView程序讀入Gaussian03/09計算結果，通常為log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地讀取Gaussian的計算結果并且以圖形的形式顯示出來，并可應用它對計算結果進行分析。(5)通過GaussianView對計算結果的進行處理，通過它顯示出發光材料的分子軌道電子云密度分布情況，吸收光譜，發射光譜等情況，結合這些圖形信息，我們可以對有機電致發光材料或者稀土發光材料的發光機理進行教學。3.知識點的拓展。GaussianView是由Gaussian公司開發的一款非常好的分子建模及顯示工具，學生可以通過對它的使用，很方便地進行分子設計并輸入到高斯程序中進行計算。可以安排學生在基礎發光材料分子的基礎上，在分子配體的外圍添加外圍取代基或者改變配體，進行嘗試，進行配合物分子的設計，增強其動手能力，為今后走進實驗室進行有機合成做準備。

三、預期的效果

計算模擬軟件所用的計算資源可以采用多媒體教學中的電腦和學生自帶的筆記本電腦。通過對軟件進行簡單的操作講解，學生可以很方便進行建模和計算。在此教學過程中，可以培養學生的學習主動性、動手能力、以及一些基本的科學研究技能，增加其對材料科學的興趣，對科研領域的了解。

作者：吳玉輝吳盼單位：長春理工大學材料科學與工程學院吉林大學附屬中學