吳玉輝,吳 盼

簡析材料計算模擬軟件和方法對材料科學教學的促進作用

吳玉輝,吳 盼

摘 要：材料科學的教學注重理論聯(lián)系實際，透過材料的宏觀性質(zhì)，剖析其內(nèi)在的微觀機理，因此，如何形象生動地展開教學、提高教學效率、激發(fā)學生的學習興趣、培養(yǎng)其專業(yè)技能和素質(zhì)，都是重要的教學目標。在教學過程中引入Materials Studio、Gaussian等計算模擬軟件，對相關(guān)知識點及原理進行演示和計算分析，可以從材料科學的教學設計和教學手段上加以改進，使教學內(nèi)容更加形象，知識點更易于被學生理解。此過程有利于培養(yǎng)學生自主學習和實踐能力，同時對提高教學質(zhì)量和課堂效率具有促進作用。

關(guān)鍵詞：材料科學;計算模擬軟件;Materials Studio;Gaussian;教學方法

吳玉輝/長春理工大學材料科學與工程學院講師，博士（吉林省長春市130022）；吳盼/吉林大學附屬中學教師（吉林省長春市130021）。

材料科學是結(jié)合物理學、化學、電子學、晶體學等多個相關(guān)學科知識和內(nèi)容的一門學科，也是一門與工程技術(shù)密不可分的應用科學。教學目標不但要求學生掌握材料的宏觀性質(zhì)、加工制備、開發(fā)應用等多方面知識和內(nèi)容，還要求學生深入學習其內(nèi)在的物理和化學原理，從而建立起微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間的聯(lián)系，理解并掌握光、電、磁這些材料基本性能的內(nèi)在本質(zhì)，最終具有把理論知識和技能應用到工程實踐中去的能力。因此在材料科學的教學過程中，要注意理論聯(lián)系實際，剖析與材料性質(zhì)相關(guān)的微觀機理。

理論計算模擬方法是目前國際上流行的一種科學研究方法，目前已開發(fā)出很多優(yōu)秀的軟件和計算方法，如Materials Studio、Gaussian量化計算程序包、VASP程序包等等，把這些軟件和方法應用于材料科學教學當中，可以使抽象的原理直觀化，動態(tài)化，易于學生理解，并激發(fā)他們的學習興趣?！墩撜Z》中曾說“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”，如何激發(fā)學生的學習興趣是教學中的一個重要環(huán)節(jié)，學生學習興趣的提高將很大程度上提高教學質(zhì)量和授課效率。通過對材料的結(jié)構(gòu)分析、計算模擬，可以從更深的微觀層面對材料的宏觀性能給出解釋，揭示其內(nèi)在規(guī)律性，使教學過程達到一個更高及更全面的認知程度。在此過程中，可以使學生鞏固基本知識，增強綜合學科素養(yǎng)，并把所學的理論知識應用到實踐當中，為以后的學習和科研打好基礎(chǔ)。

一、Materials Studio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(lǐng)域開發(fā)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Visualizer、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(jié)構(gòu)模型，之后通過軟件包中相應的計算模塊，對材料分子的構(gòu)型優(yōu)化、性質(zhì)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(jié)果可以對各種晶體、無定型與高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過程進行深入的分析和研究，其計算的結(jié)果精確可靠。CASTEP是Cambridge Sequential Total Energy Package的縮寫，最早由英國劍橋大學的一個凝聚態(tài)理論小組開發(fā)，是廣泛用于計算周期性體系性質(zhì)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(guān)計算，可研究晶體材料的光學性質(zhì)（折射率，反射率，吸收及發(fā)射光譜等）、缺陷性質(zhì)（如空位、間隙或取代摻雜）、電子結(jié)構(gòu)（能帶及態(tài)密度）、體系的三維電荷密度及波函數(shù)等。

（二）教學環(huán)節(jié)設計

1.知識點的設置。在材料科學的專業(yè)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(shù)等課程中,都會涉及材料的晶體結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)，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(shù)等材料的光學或化學性質(zhì)。在完成這些基礎(chǔ)知識點的講解后，可以利用MaterialsStudio軟件進行計算和演示，為這些基礎(chǔ)理論給出直觀形象的解釋，把材料的宏觀性質(zhì)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(shù)的介紹。密度泛函理論是一種研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學方法，其本質(zhì)是以電子密度分布函數(shù)為變量代替波函數(shù)中的自變量來求解薛定諤方程，使求解復雜體系波函數(shù)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(guān)領(lǐng)域，特別是用來研究分子和凝聚態(tài)的性質(zhì)。目前密度泛函理論DFT（Density Functional Theory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(jié)構(gòu)、性質(zhì)、光譜、能量、過渡態(tài)結(jié)構(gòu)和活化勢壘等方面的進行計算研究。在與分子動力學結(jié)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(chǔ)和核心技術(shù)。

3.軟件的操作及相關(guān)內(nèi)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(gòu)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(jié)構(gòu)等模型，通過鼠標控制這些分子構(gòu)型，可從不同角度查看并分析體系結(jié)構(gòu)，容易形成直觀的概念。MaterialsStudio自帶的數(shù)據(jù)庫中的晶體結(jié)構(gòu)可以用于教學演示，如在硅材料科學與技術(shù)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(jié)構(gòu)，可以很方便地從Materials Studio軟件的Structures/semiconductors數(shù)據(jù)庫文件夾中導入Si這個晶體數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)。也可以通過Visualizer模塊中的菜單選項Build-＞Symmetry-＞Supercell建立n×n超胞結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整角度，可以從不同晶向觀察晶體的晶面，通過超胞結(jié)構(gòu)也可以演示各種晶體的密堆積結(jié)構(gòu)。這樣就給學生一個生動、形象、直觀動態(tài)的概念，使其易于在頭腦中建立空間模型，理解所學知識點。

圖1 硅單晶的（100）、（110）、（111）晶面示意圖

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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)和態(tài)密度，通過對計算結(jié)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(shù)據(jù)庫及Web of Science網(wǎng)站來獲取稀土配合物的晶體結(jié)構(gòu)，然后通過MaterialsStudio Visualizer讀出晶體結(jié)構(gòu)，用于課堂演示，有助于學生理解復雜的稀土配合物結(jié)構(gòu)。

在固體物理教學過程中，可以利用MaterialsStudio中的Reflex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(jié)果及演示教學。

4.知識點的拓展。對于缺陷、雜質(zhì)摻雜、空位等對晶體材料的影響，可以通過Materials Studio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(jié)果的分析，說明這些因素對半導體材料性質(zhì)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(shù)等性質(zhì)。其計算的結(jié)果數(shù)據(jù)和圖表可以與教科書或文獻上的數(shù)據(jù)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(jù)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(jié)果的對比，可以初步探討晶體中缺陷、雜質(zhì)、空位等因素對材料性質(zhì)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(jié)構(gòu)、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)、化學鍵以及反應能量、分子軌道、熱力學性質(zhì)、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(tài)和激發(fā)態(tài)，進而通過含時密度泛函研究材料分子體系的激發(fā)態(tài)，算出吸收和發(fā)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(shù)把體系作為重復的單元進行模擬，以確定化合物的結(jié)構(gòu)和整體性質(zhì)。

而GaussianView是一款為Gaussian設計的配套軟件，其主要作用有兩個：1.構(gòu)建Gaussian的輸入分子模型，2.以圖形顯示Gaussian程序的運算結(jié)果。

（二）知識點的設置

1.在材料科學有機電致發(fā)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(fā)光材料的吸收及發(fā)射機理。通過把Gaussian軟件教學過程，我們可以很好結(jié)合這些算例講解三重態(tài)，單重態(tài)發(fā)射過程，給出與發(fā)射過程相關(guān)的分子最高占據(jù)軌道HOMO和最低非占據(jù)軌道LUMO的電子密度圖，這樣就可以很形象地解釋發(fā)射過程中的電子轉(zhuǎn)移過程，對低能吸收和發(fā)射過程的電子躍遷性質(zhì)進行判斷。

2.軟件的操作及相關(guān)內(nèi)容的演示。(1)通過CCDC晶體數(shù)據(jù)庫或者Web of Science網(wǎng)站獲得相應的配合物或者稀土配合物晶體的晶體結(jié)構(gòu)（通常為cif文件）。(2)應用Mercury軟件或者Materials Studio軟件讀取相應的晶體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)存為Gaussian輸入程序（*.gif-Gaussian input file)。(3)采用Gaussian程序進行計算。(4)通過GaussianView程序讀入Gaussian 03/09計算結(jié)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(jié)果并且以圖形的形式顯示出來，并可應用它對計算結(jié)果進行分析。(5)通過GaussianView對計算結(jié)果的進行處理，通過它顯示出發(fā)光材料的分子軌道電子云密度分布情況，吸收光譜，發(fā)射光譜等情況，結(jié)合這些圖形信息，我們可以對有機電致發(fā)光材料或者稀土發(fā)光材料的發(fā)光機理進行教學。

圖2 GaussianView分子建模

圖3 Gaussian計算得出吸收光譜及Gaussian計算出的HOMO和LUMO軌道單電子密度圖

3.知識點的拓展。GaussianView是由Gaussian公司開發(fā)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?？梢园才艑W生在基礎(chǔ)發(fā)光材料分子的基礎(chǔ)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(yǎng)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(lǐng)域的了解。

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[1]于永寧.材料科學基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，2005

[2]杜永勝.Materials Studio在固體物理教學中的應用[J].技術(shù)物理教學，2009，(3)

中圖分類號：G64

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1671-6531（2012）11-0109-02

：郭一鶴