Os原子MS計算模擬報告

1、計算材料物理上機報告Os結構與性質的GGA/LDA+(泛函形式例如PBE、RPBE等)法計算模擬學院（系）： 材料科學與工程 年級專業(yè)： 2011級材料物理 學 號： 110102030021 學生姓名： 郭霖 指導教師： 向建勇 2014年 6月 16日一實驗題目：Os元素的結構優(yōu)化與能量優(yōu)化二緒言 鋨是金屬單質中密度最大的，熔點3045，沸點5300以上。六方密集晶格?；宜{色金屬，硬而脆。金屬鋨極脆，放在鐵臼里搗，就會很容易地變成粉末，鋨粉呈藍黑色。鋨的蒸氣有劇毒，會強烈地刺激人眼的粘膜，嚴重時會造成失明。金屬鋨在空氣中十分穩(wěn)定，鋨金屬粉末可自燃，粉末狀的鋨易氧化鋨在工業(yè)中可以用做催化劑。

2、CASTEP最先由英國劍橋大學凝聚態(tài)理論小組開發(fā)，它采用密度泛函理論模擬很大一類材料固體、界面和表面的性質。CASTEP基于總能量的平面波贗勢理論，運用原子數目和種類來預測包括晶格參數、分子對稱性、結構性質、能帶結構、固態(tài)密度、電荷密度和波函數、光學性質。高效并行版本可以模擬包含數百原子的大系統(tǒng)。本文基于第一性原理，利用CASTEP進行模擬計算給出了Os的優(yōu)化后的結構和能態(tài)密度以及一些光學性質，并且計算了加壓后一些性質的變化情況。三實驗目的： 1.學習、掌握用MS軟件進行模擬計算 2. 了解CASTEP模塊所使用的函數模型 3.掌握使用CASTEP模塊進行計算的方法4.了解過渡金屬Os的結構結

3、構參數及某些性能四計算內容：1.計算材料：金屬材料Os 2.計算方法：GGA、PBE五計算結果介紹及結論：1.計算過程： （1）生成Projects a.運行Material Visualizer b.創(chuàng)建新的Project(在D盤中創(chuàng)建名為guolin的Project） （2）建立模型 a. 點擊工具欄上的build，選擇build crystal ，輸入Os的空間群和晶格常數，空間群194，晶胞參數a = 273.44 pm，b = 273.44 pm，c = 431.73 pm， = 90°， = 90°， = 120°b. 點擊build，選擇add at

4、oms，添加Os原子 ， a =1/3，b = 2/3，c = 1/4. （3）對Os進行結構優(yōu)化打開Calculation ，選擇Geometry Optinization進行結構優(yōu)化。用CASTEP進行計算，CASTAP幾何優(yōu)化任務允許改善結構的幾何，獲得穩(wěn)定結構。通過一個迭代過程來完成這項任務，迭代過程中調整原子坐標和晶胞參數使結構的總能量最小化。（4）對結構優(yōu)化前的Os進行X射線衍射打開結構優(yōu)化前的Os結構模型，點擊Reflex Tools按鈕，選擇Powder Diffraction,并調整2（5度-90度）角及其他相關參數。（5）對結構優(yōu)化后的Os進行X射線衍射 打開結構優(yōu)化前的O

5、s結構模型，點擊Reflex Tools按鈕，選擇Powder Diffraction,并調整2（5度-90度）角及其他相關參數（6）對結構優(yōu)化后Sb的進行能量優(yōu)化 打開Calculation 對話框，選擇Energy進行能量優(yōu)化（7）能帶結構及態(tài)密度計算 在Calculation 對話框中選擇Optical properties(對Function中的6個選項分別進行計算),選擇Band Structure和Density of States進行計算。2.計算結果a.結構的優(yōu)化前后對比（如圖）圖.優(yōu)化前 圖.優(yōu)化后優(yōu)化前：晶格常數 a=b=2.735000A , c=4.319000A 夾角

6、 =90°, =120°優(yōu)化后：晶格常數 a=b=2.887967A , c=4.522570A 夾角 =90°, =120° Current cell volume（晶胞體積）=32.666346 A*3 Final Enthalpy（焓）=-5.05120166E+003 eV Final bulk modulus（體彈模量）= 65.89919 GPa 可以看出，優(yōu)化前后晶胞參數有明顯改變，說明原來建立晶胞時的參數需要進行優(yōu)化。b.優(yōu)化后Os的X射線衍射圖譜(如圖）圖.優(yōu)化前Os的X射線衍射圖譜圖.優(yōu)化后Os的X射線衍射圖譜由圖中可以看出明顯的衍射

7、峰，沒有寬化，表明晶體結構的完整性。c.能量優(yōu)化后Os的能帶圖（如圖）圖.能量優(yōu)化后Sb的能帶圖純Os金屬，具有六方晶格結構。從上圖能帶圖中可以看出：能帶之間在費米面附近有交疊，這就使它有了導電性，但是，也可以從能帶圖中看出其能帶交疊，但不是很多，則其對導電有貢獻的載流子數略小于普通的金屬。d.能量優(yōu)化后Sb的態(tài)密度圖（如圖）圖.總態(tài)密度DOS圖.分波態(tài)密度PDOS從上圖中可以看出：有分波DOS跨過費米能級，費米面附近有電子能級分布，則該體系是金屬。 從圖中亦可以看出，主要是sum軌道和d軌道中的電子對Os的導電性做貢獻。e.反射率圖.反射率反射率為物體表面的反射通量與入射通量之比，它是對某一

8、特定波長而言，如涉及的是一個較寬的譜段，則稱之為“反照率”。鋨的紫外線反射率很高,；可見光范圍內，反射率在550-600范圍內波峰最高，則黃光反射率最高。 f.介電函數圖.介電函數介電函數作為溝通帶間躍遷微觀物理過程和固體電子結構的橋梁，可以反映出固體能帶結構及其他各種光譜信息。電磁波在介質中傳播，當需要考慮吸收的影響時，介電常數要用復數來描述。介電函數的實部為介電常數，虛部為損耗因子。g.導電性圖.電導率電導率在介質中該量與電場強度之積等于傳到電流密度。對于各向同性介質，電導率是標量；對于各向異性介質，電導率是張量。在可見光能量范圍內導電性能變化波動較大。h.損耗函數圖.損耗函數損失函數描述

9、了當電子快速通過材料時能量的損失。由圖可以看出，在可見光的能量為3.25ev處，光的損失率達到最大。i.可見光吸收圖.可見光吸收由圖對比可以看出吸收率整體降低。通過與反射圖譜的比較，可以看出吸收率與反射率的趨向大體上是一致的。符合如果一種固體強烈地吸收某一光譜范圍的光，它就能有效的反射在同一光譜范圍內的光的理論。j.折射率圖.折射率折射率表示光在真空中的相對速度與光在介質中的相對速度之比值，同一單色光在不同介質中傳播，頻率不變而波長不同。以表示光在真空中的波長，n表示介質的折射率，則光在介質中的波長'為：'=/n。折射率實部表示該物質的色散性質，虛部表示該物質的吸收性質。3結論

10、用MS中的CASTEP模塊研究Os，先進行了晶胞結構的優(yōu)化，然后在此基礎上進行能量優(yōu)化，再研究的能帶結構和基本性質。得到Os的X射線衍射圖譜，能帶結構和能態(tài)密度以及光學性質中的反射率，吸收率，折射率，介電常數，導電率和損失常數。計算表明優(yōu)化后的晶格常數和能量沒有十分明顯的變化；鋨為過渡金屬，雖具有導電性，但比較普通金屬較弱；鋨的紫外線反射率很高；可見光中黃光反射率最高。六.參考文獻1.黃昆 韓汝琦 固體物理學 高等教育出版社 1988年版 110-115及437-4522.計算材料學基礎 張悅等 2007.6 北京航空航天大學出版社 3.MS castep 高級教程4.能帶中部分概念的理解小結（量子化學網）5.能帶結構和態(tài)密度圖的繪制及初步分析6.王富恥 材料近代分析方法 2006年03月 北京理工大學出版社7.儀器信息網 網文（8. Antonov, V. E.; Belash, I. T.; Malyshev, V. Yu.; Ponyatovsky, E. G. The Solubility of Hydrogen in the Platinum Metals under High Pressure. Platinum Metals Revie. 1984, 28 (4): 158163.計算材料物理上機報告評分表上機表現（滿分5分） 工作態(tài)度（認真