计算材料学导论.ppt
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1、1,燕山材料科学与工程学院Apr.2011,计算材料物理Physics in computational materials,2,主要内容,计算材料学的起源计算材料学的方法计算材料学的应用,3,主要内容,计算材料学的起源计算材料学的方法计算材料学的应用,4,计算材料学的起源,1913 Niels Bohr 建立了原子的量子模型。1920s1930s 量子力学的建立和发展。1928 F.Bloch 将量子理论运用于固体。1927 原子电子结构的Thomas-Fermi理论。1928-1930 Hatree-Fock方法建立,采用平均场近似求解电子结构的问题。1964-1965 密度泛函理论(DF
2、T)和Kohn-Sham方法1998 Kohn和Pople获得Nobel化学奖,5,all the mathematics to solve the whole of chemistry is known,but the equations are too difficult to solve P.A.M.Dirac(1930),“解决全部化学的规律的数学方法已完全知道了,困难只是在于这些方程太复杂,无法求解”,6,1953年舒尔(H.Schull)等人用手摇计算机,摇了2年才完成氮分子的哈特里福克(Hartree-Fock)等级的从头计算。,也许我们可以相信理论物理学家,物质的所有性质都应当
3、用薛定谔方程来计算。但事实上,自从薛定谔方程发现以来的30年中,我们看到,化学家感兴趣的物质性质只有很少几个作出了准确而又非经验性的量子力学计算。,L.Pauling(1960),7,8,科学计算的重要性,“科学计算已经是继理论科学、实验科学之后,人类认识与征服自然的第三种科学方法。”“现代理论和计算机的进步,使得材料科学与工程的性质正在发生变化。材料的计算机分析与模型化的进展,将使材料科学从定性描述逐渐进入定量描述阶段。”90年代的材料科学与工程,9,科学计算的可行性,计算机软、硬件条件的飞速发展为科学计算提供了有力保证。量子力学,量子化学等基础理论的发展为科学计算奠定了理论基础。,10,M
4、oore定律:计算机CPU的速度每1.5年增加一倍。19461957 真空管,第一代19581963 晶体管,第二代19661970集成电路,第三代1971 大规模和超大规模 集成电路,第四代,CPU的速度增加:Moore定律,11,多核技术集群技术,12,材料设计(Materials by design)一词正在变为现实,它意味着在材料研制与应用过程中理论的份量不断增长,研究者今天已经处在应用理论和计算来设计材料的初期阶段。美国国家科学研究委员会(1995),材料设计,13,计算材料学是沟通理论与实验、宏观与微观的桥梁。,计算材料学的概念,14,计算机模拟,计算机模拟与材料研究四面体,使用性
5、能,合成/加工,组织结构/成分,性能,15,计算材料学(Computational materials science)是结合凝聚态物理、材料物理学、理论化学、材料力学、工程力学和计算机算法等相关学科,利用现代高速计算机,模拟材料的各种物理化学性质,深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各种现象与特征,对材料的结构和物理化学性能进行理论预测,从而达到设计新材料的目的。,计算材料学的定义,16,计算材料学的内涵,通过模型化与计算实现对材料制备、加工、结构、性能和服役表现等参量或过程的定量描述;理解材料结构与性能和功能之间的关系;设计新材料;缩短材料研制期;降低材料制造过程成本。,17,可以归纳为三个
6、方面:(1)计算机模拟是基础研究和工程应用的桥梁。(2)计算机模拟指出了未来材料科学发展的方向。(3)计算机模拟能够揭示材料科学和工程的不同方面。,计算模拟的作用,18,主要内容,计算材料学的起源计算材料学的方法计算材料学的应用,19,材料研究中的尺度(时间和空间),空间尺度纳观 原子层次微观 小于晶粒尺寸介观 晶粒尺寸大小宏观 宏观试样尺寸时间尺度原子振动频率 宏观时间尺度,20,空间尺度,21,22,聚合物中的空间和时间尺度,23,材料设计的层次,24,典型模拟方法,25,26,27,主要内容,计算材料学的起源计算材料学的方法计算材料学的应用,28,第一原理(First Principle
7、s),不依赖于实验数据与经验公式,完全从最基本的物理定律出发。元素周期表+基本物理常数+计算机模拟对材料科学研究来说,第一原理指的是量子力学。,29,电子结构与材料性能,电子和原子核是决定原子、分子、凝聚态物质,人造结构性质的基本粒子。电子被称为“量子胶水”(quantum glue)将原子核连接在一起。电子激发态决定材料的电子、光学、磁学性能。,30,电子基态:键合和特征结构,a 闭壳系统,如惰性气体,成键很弱b 离子晶体,可认为是大的阴离子和小的阳离子组成的闭壳系统,如NaCl,库仑作用很强c 共价键,有共用电子对组成,有方向性d 金属键合,由分布在离子核周围的自由电子组成自由电子气,31
8、,Schrdinger 方程,原子核和电子动能,原子核-电子相互作用,电子-电子相互作用,原子核-原子核相互作用,32,Kohn-Sham(沈吕九)方法,第二项:静电作用能 第三项:无相互作用体系的动能Exx:含有交换-相关能的项(难点),33,材料电子结构模拟密度泛函理论(DFT),Bismuth-induced embrittlement of copper grain boundaries,Calculated charge density from copper grain-boundary region.,G.Duscher,et.al.Nature Materials,22 Aug
9、ust,2004,34,Atomic structures of the SrTiO3/Si(001)interfacesC.J.Forst,Nature 427 53(2004),35,36,MD是经典力学方法,针对的最小结构单元不再是电子而是原子因原子的质量比电子大很多,量子效应不明显,可近似用经典力学方法处理20 世纪 30 年代,Andrews 最早提出分子力学(MM)的基本思想;40 年代以后得到发展,并用于有机小分子研究。90年代以来得到迅猛发展和广泛应用,材料原子层次模拟分子动力学,37,构造出简单体系的势能函数,简称 势函数 或 力场(force field)。利用势函数,建立
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