Castep 軟件在材料科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

Castep軟件在材料科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用〔〕:

摘要：為解決材料科學(xué)教學(xué)中存在的理論復(fù)雜、難度大、不易講解的問題，采用第一性原理模擬軟件Castep結(jié)合相關(guān)問題進(jìn)展數(shù)值分析，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)輔助材料科學(xué)進(jìn)展教學(xué)研究。結(jié)果說明通過計(jì)算機(jī)模擬可以使學(xué)生更深化地理解相關(guān)材料科學(xué)知識(shí)，獲得明晰的物理圖像，到達(dá)良好的教學(xué)效果。同時(shí)，軟件的使用可以幫助學(xué)生將所學(xué)知識(shí)通過計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q問題的才能，為其以后的研究工作打下堅(jiān)實(shí)的根底。

關(guān)鍵詞：材料科學(xué)；Castep；教學(xué)

本文引用格式：李強(qiáng).Castep軟件在材料科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(85):220-221,243.

材料科學(xué)是研究材料構(gòu)造、組分、溫度之間的互相關(guān)系以及對(duì)其性能影響的學(xué)科【1】，也是現(xiàn)代工業(yè)開展的根底。然而材料科學(xué)課程涉及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，尤其是理論力學(xué)、材料力學(xué)這兩門學(xué)科需要學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)才能，學(xué)生普遍反響學(xué)習(xí)比擬困難。這就給材料科學(xué)專業(yè)的教學(xué)帶來了一些新的問題：理論推導(dǎo)過程的復(fù)雜性容易使學(xué)生陷入到數(shù)學(xué)公式中而無視對(duì)物理內(nèi)涵的理解和把控。假設(shè)能恰當(dāng)?shù)厥褂弥庇^形象的案例教學(xué)方法，就能很好地使學(xué)生獲得感性認(rèn)知，大幅度提升課堂教學(xué)效率。數(shù)學(xué)是材料科學(xué)研究的根本工具，物理學(xué)是材料科學(xué)研究的根底，當(dāng)我們建立起明晰的物理圖像之后，材料科學(xué)的教學(xué)將變得游刃有余，否那么教師付出了艱辛的勞動(dòng)，而學(xué)生卻收不到好的教學(xué)效果。隨著互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，完全依靠書本的傳統(tǒng)教育已經(jīng)越來越不適應(yīng)于現(xiàn)代本科教育，這就要求我們進(jìn)展教育教學(xué)改革，采用如網(wǎng)絡(luò)教育、混合式教學(xué)等多種教育形式，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生在輕松愉快中學(xué)到知識(shí)，形成技能。

MaterialsStudio是目前分子模擬領(lǐng)域的各種先進(jìn)方法和優(yōu)異建模及可視化分析的大型集合軟件【2】，可以幫助我們理解和解決材料科學(xué)中復(fù)雜的物理問題和材料力學(xué)問題。而Castep作為一款基于密度泛函方法的從頭算量子力學(xué)程序包含在MaterialsStudio當(dāng)中。Castep的典型應(yīng)用包括外表化學(xué)，鍵構(gòu)造，態(tài)密度、光學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能等方面的研究。材料科學(xué)的教學(xué)重點(diǎn)要關(guān)注材料的構(gòu)造、組分和性能，這里我們逐一講解通過MaterialsStudio和Castep軟件如何實(shí)現(xiàn)這三步。

一晶體構(gòu)造的建立和認(rèn)識(shí)

MaterialsStudio軟件的Visualizer模塊具有強(qiáng)大的建模才能[3-7]，它可以容易地建立和處理圖形模型，包括有機(jī)、無機(jī)晶體、高聚物、非晶態(tài)材料等近上千種典型構(gòu)造。MaterialsVisualizer也管理、顯示并分析文本、圖形和表格格式的數(shù)據(jù)，支持與其它字處理、電子表格和演示軟件的數(shù)據(jù)交換。Visualizer的Build模塊提供了用戶所需的各種建模工具，完全可以滿足材料科學(xué)教學(xué)的需要。金屬通常包括三種典型構(gòu)造：體心立方、面心立方和密排六方。MaterialsStudio軟件很容易導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的構(gòu)造，學(xué)生可以親自動(dòng)手操作，并自己觀察這三種構(gòu)造的原胞、單胞和超胞。以往的教學(xué)我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)單胞與原胞的差異、簡單格子和復(fù)式格子的關(guān)系始終存在認(rèn)知難度，因此我們可以借助MaterialStudio軟件首先導(dǎo)入晶胞構(gòu)造，在此根底上依次點(diǎn)擊Build、Symmetry、Primitivecell，實(shí)現(xiàn)原胞和單胞的轉(zhuǎn)換，而通過Conventionalcell功能可以將原胞轉(zhuǎn)換成單胞。

如圖1所示為我們實(shí)際教學(xué)中通過MaterialsStudio軟件的Visualizer模塊繪制的Ta的單胞、原胞和超胞構(gòu)造。可以看到Visualizer模塊顯示的Ta的三種構(gòu)造直觀、形象，一目了然。教學(xué)理論發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用MaterialStudio軟件進(jìn)展晶體構(gòu)造教學(xué)的學(xué)生比未應(yīng)用MaterialStudio軟件進(jìn)展教學(xué)的學(xué)生對(duì)晶體構(gòu)造的掌握要好很多。

Visualizer模塊還包含一個(gè)名為AmorphousCell的分模塊，能預(yù)測(cè)并研究的性質(zhì)包括內(nèi)聚能密度、狀態(tài)方程行為、鏈堆砌和部分鏈運(yùn)動(dòng)，適宜于創(chuàng)立界面模型，用于研究粘著和光滑。

二材料光學(xué)性質(zhì)的計(jì)算

材料的光學(xué)性質(zhì)包括吸收譜、介電函數(shù)、反射譜、折射系數(shù)，損失函數(shù)，導(dǎo)電率等。這些光學(xué)性質(zhì)在材料科學(xué)中都有對(duì)應(yīng)的公式介紹，但大多數(shù)學(xué)生們看到這些公式感到很茫然，因?yàn)樗麄儾恢肋@些公式怎么來的？表達(dá)什么內(nèi)涵，而書本的內(nèi)容卻比擬抽象，這將影響他們對(duì)其物理本質(zhì)和現(xiàn)象的認(rèn)知。在MaterialStudio軟件的Onlinehelp中不僅提供了吸收譜、介電函數(shù)、反射譜、折射系數(shù)、損失函數(shù)和導(dǎo)電率之間的公式和轉(zhuǎn)換關(guān)系，還給出了它們之間的計(jì)算原理。就這一點(diǎn)來講，讓學(xué)生深化的認(rèn)識(shí)了光學(xué)性質(zhì)的物理本質(zhì)，解決了他們深藏心中的疑惑。另外Onlinehelp中還給出了計(jì)算光學(xué)性質(zhì)的詳細(xì)步驟，學(xué)生可以按照提示一步步完成對(duì)應(yīng)的計(jì)算。我們以金紅石TiO2為例說明計(jì)算其光學(xué)性質(zhì)的步驟。

首先通過菜單欄File/import功能從模型庫〔share\Structures\metal-oxides〕中輸入需要計(jì)算光學(xué)性質(zhì)的金紅石TiO2單胞模型：TiO2_rutile.msi；從菜單欄中選擇Modules，再選擇CASTEP模塊，然后從下拉列中選擇Calculation。在CASTEPCalculation的Setup標(biāo)簽中，把Task設(shè)置為GeometryOptimization，把Quality設(shè)置為Fine，并且把Functional設(shè)置為GGA或者PW91泛函。按下More按鈕，選中Optimizecell。關(guān)閉CASTEPGeometryOptimization對(duì)話框，選擇Electronic標(biāo)簽，按下More按鈕以得到CASTEPElectronicOptions對(duì)話框。把Derivedgrid的設(shè)置從Standard改為Fine，關(guān)閉CASTEPElectronicOptions對(duì)話框。選擇JobControl標(biāo)簽，設(shè)定本地運(yùn)算，按下CASTEPCalculation對(duì)話框中的run命令，等待構(gòu)造優(yōu)化完成。

當(dāng)構(gòu)造優(yōu)化完成后，使TiO2_rutileCASTEPGeomOpt/TiO2_rutile.xsd處于激活狀態(tài)。選擇CASTEPCalculation對(duì)話框中的Setup標(biāo)簽，從Task的下拉清單中選擇Opticalproperties，最后按Run運(yùn)行。

當(dāng)Opticalproperties計(jì)算完成后，選擇CASTEP模塊，然后從下拉列中選擇Analysis/Opticalproperties，點(diǎn)擊Calculation和View，即可觀察到金紅石TiO2的反射光譜。整個(gè)教學(xué)過程生動(dòng)有趣，學(xué)生興趣盎然，學(xué)習(xí)效果大大提升。

三材料彈性性質(zhì)的計(jì)算

材料最重要的兩個(gè)性能是彈性和塑性，而彈性常數(shù)的理論計(jì)算對(duì)于材料科學(xué)專業(yè)來講是非常重要的，其是設(shè)計(jì)材料的首要考察指標(biāo)。用Castep預(yù)測(cè)材料彈性性能的采用下面三步，這里以Ta的彈性常數(shù)為例。

首先通過菜單欄File/import功能從模型庫中輸入需要計(jì)算彈性性質(zhì)的Ta金屬單胞模型；從菜單欄中選擇Modules，再選擇CASTEP模塊，然后從下拉列中選擇Calculation。在CASTEPCalculation的Setup標(biāo)簽中，把Task設(shè)置為GeometryOptimization，把Quality設(shè)置為Fine，并且把Functional設(shè)置為GGA或者PW91泛函。按下More按鈕，選中Optimizecell。關(guān)閉CASTEPGeometryOptimization對(duì)話框，選擇Electronic標(biāo)簽，按下More按鈕以得到CASTEPElectronicOptions對(duì)話框。把Derivedgrid的設(shè)置從Standard改為Fine，關(guān)閉CASTEPElectronicOptions對(duì)話框。選擇JobControl標(biāo)簽，設(shè)定本地運(yùn)算，按下CASTEPCalculation對(duì)話框中的run命令，等待構(gòu)造優(yōu)化完成。

當(dāng)構(gòu)造優(yōu)化完成后，使TaCASTEPGeomOpt/Ta.xsd處于激活狀態(tài)。選擇CASTEPCalculation對(duì)話框中的Setup標(biāo)簽，從Task的下拉清單中選擇ElasticConstants。按下More按鈕，在CASTEPElasticConstants對(duì)話框?qū)umberofstepsforeachstrain由4增加為6，按Run運(yùn)行。待運(yùn)行完畢后，在Ta.castep文件得到Ta的彈性常數(shù)、剪切模量、塊體模量、楊氏模量和泊松比，如表1所示，為我們獲得的Ta的彈性常數(shù)、彈性常數(shù)、剪切模量、塊體模量和楊氏模量。

從整個(gè)計(jì)算彈性常數(shù)和彈性模量的過程可以看出，學(xué)生只要在教師的引導(dǎo)下都可以完成相關(guān)任務(wù)的計(jì)算和分析。通過在材料科學(xué)教學(xué)中引入這一教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生對(duì)材料科學(xué)的學(xué)習(xí)興趣極大進(jìn)步，他們也從中體會(huì)到了學(xué)習(xí)和探究的樂趣。

四結(jié)論

通過引入Castep軟件輔助材料科學(xué)的教學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性大幅度提升，原來枯燥乏味的公式推導(dǎo)轉(zhuǎn)變成了形象生動(dòng)的探究性學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生的參與度和求知欲，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新才能和理論才能，為學(xué)生將來開展科學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的根底。

參考文獻(xiàn)

【1】高蕊,潘曉燕,花蕾,等.應(yīng)用型人才培養(yǎng)形式下?材料科學(xué)根底?教學(xué)改革探究[J].教育教學(xué)論壇,2022(20):72-73.

【2】張麗萍.MaterialStudio軟件在固體物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].課程教育研究,2022(08):193-194.

【3】呂珍龍,崔紅玲.晶體建模軟件在固體物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].課程教育研究,2022(30):157-158.

【4】笪良國,張倩茹.MaterialsStudio8.0在晶體構(gòu)造教學(xué)中的應(yīng)用[J].淮南師范學(xué)院學(xué)報(bào),2022,21(02):60-62+70.

【5】楊華哲.MaterialsStudio軟件在材料物理教學(xué)與科研中的應(yīng)用[J].物理與工程,2022/r