材料计算实验报告 学生实验实习报告册 学年学期： 2022-2021学年o春o秋学期 课程名称： 课程设计（小型软件系统） 学生学院： 理学院 专业班级： 11921701 学生学号： 2022213260 学生姓名： 联系： 指导教师： 总评成绩： xxx邮电大学教务处制 课程设计（小型软件系统）要求 通过本课程设计，了解当代计算材料学之材料设计和计算及模拟的理论基础、发展历程初步掌握LINUX系统的基本操作、脚本编写熟悉常用的材料计算软件的使用，并能够通过模拟计算，获得常见的简单晶体结构的几何和电子性质 具体要求： 1. 通过前期的课程学习和网络调研，了解第一性原理计算的理论基础； 2. 通过课程学习和实践操作，初步掌握LINUX系统的基本操作； 3. 学会根据实验测试数据（如XRD、TEM等），利用FINDIT软件获得已知材料体系的晶体结构； 4. 学会利用VESTA、MATERIALSSTUDIO、UEDIT等软件对晶体结构进行查看、结构调节，最终准确获得初始计算模型； 5. 学会利用VIENNAAB-INITIOSIMULATIONPACKAGE（简称VASP）软件，获得晶体结构稳定构型、电荷密度分布、电子态密度、能带结构、声子谱、结合能等； 6. 学会利用P4VASP、ORIGIN等软件进行数据转换和作图； 7. 能够利用所学的《量子力学》、《固体物理》、《半导体物理学》知识，分析晶体结构、电荷密度分布、电子态密度以及能带结构。
实验名称 系统建模与仿真实验 课程编号 A2110260 实验地点 SL110 实验时间 6.15-6.19 一、课程设计目的： 目的：通过本课程设计，了解当代计算材料学之材料设计和计算及模拟的理论基础、发展历程初步掌握LINUX系统的基本操作、脚本编写熟悉常用的材料计算软件的使用，并能够通过模拟计算，获得常见的简单晶体结构的几何和电子性质 二、课程设计使用的仪器、软件： 仪器：计算机 软件：FINDIT、VESTA、MATERIALSSTUDIO、UEDIT、VIENNAAB-INITIOSIMULATIONPACKAGE、P4VASP、ORIGIN 三、课程设计要求： 1. 通过前期的课程学习和网络调研，了解第一性原理计算的理论基础； 2. 通过课程学习和实践操作，初步掌握LINUX系统的基本操作； 3. 学会根据实验测试数据（如XRD、TEM等），利用FINDIT软件获得已知材料体系的晶体结构； 4. 学会利用VESTA、MATERIALSSTUDIO、UEDIT等软件对晶体结构进行查看、结构调节，最终准确获得初始计算模型； 5. 学会利用VIENNAAB-INITIOSIMULATIONPACKAGE（简称VASP）软件，获得晶体结构稳定构型、电荷密度分布、电子态密度、能带结构、声子谱、结合能等； 6. 学会利用P4VASP、ORIGIN等软件进行数据转换和作图； 7. 能够利用所学的《量子力学》、《固体物理》、《半导体物理学》知识，分析晶体结构、电荷密度分布、电子态密度以及能带结构。
四、课程设计原理： 研究体系的复杂性表现在多个方面，从低自由度体系转变到多维自由度体系，从标量体系扩展到矢量、张量系统，从线性系统到非线性系统的研究都使解析方法失去了原有的威力因此，借助于计算机进行计算与模拟恰恰成为唯一可能的途径复杂性是科学发展的必然结果，计算材料科学的产生和发展也是必然趋势，它对一些重要科学问题的圆满解决，充分说明了计算材料科学的重要作用和现实意义 采用了基于密度泛函理论的第一性原理计算方法使用目前常用的商业软件包，VIENNAABINITIOSIMULATIONPACKAGE(VASP)，进行模拟离子实与价电子层的相互作用采用投影缀加平面波赝势(PROJECTORAUGMEN=TEDWAVE，PAW)来描述交换相关能采用广义梯度近似(GGA)中的PBE泛函描述为了更好地描述层间作用，在计算时，用OPTPBE-VDW方法进行范德华尔斯修正平面波基组截断能设置为400eV结构优化和静态计算时的布里渊区K点采样网格分别为3×3×3和4×4×4原子完全弛豫，直至各原子之间的力小于 0.01eVÅ-1，结构弛豫结束 五、课程设计思路、步骤： 1、打开FINDIT软件，查找MoS2，选择晶胞参数为3.16，如下图 图1查找MoS2数据 导出MoS2数据，注意保存格式为.cif。
2、将保存好的文件（icsd.cif）直接拖入MATERIALSSTUDIO软件，即可以看到MoS2的单个晶胞结构，点击鼠标右键选择Displaystyle中的CPK选项，调整原子为合适大小，点击viewacross查看模型的正面图（图2），之后点击viewonto查看模型的俯视图（图3），最后，保存文件到指定文件夹，文件命名为MoS2-BULK.Cif 图2.MoS2正视图3.MoS2俯视图 3、将保存好的文件（MoS2-BULK.cif）直接拖入VESTA软件，转动一下即可以看到MoS2的单个晶胞结构，再点击左下角的Properties-icsd.cif进入参数设置，第1选择General里的Singleunitcell即可以看见一个更规整的晶胞结构；第2点击Atoms，在里面可以选择Mo、S两个原子的颜色；第3点击edit中的Bonds，点击new后把A2改为S，将Maxlength改为3调整完后可得到下图（图4），最后保存文件，命名为icsd.vasp 图4 4、将icsd.vasp文件用Uedit32打开，可以得到MoS2晶胞的坐标数据。
5、计算部分:采用了基于密度泛函理论的第一性原理计算方法使用目前常用的商业软件包 VIENNAABINITIOS IMULATIONPACKAGE(VASP),进行模拟离子实与价电子层的相互作用采用投影缀加平面波赝势( PROJECTORAUGMEN= TEDWAVE,PAW)来描述交换相关能采用广义梯度近似(GA)中的PBE泛函描述为了更好地描述层间作用,在计算时,用TPBE-DW方法进行范德华尔斯修正平面波基组截断能设置为400eV结构优化和静态计算时的布果渊区K点采样网格分别为3×3×3和4×4×4原子完全弛豫,直至各原子之间的力小于0.01eVA,结构弛豫结束 （1）打开Xshell软件，建立会话并进入自己的分组,拷贝4个文件INCAR、 KPOINTS、 POSCAR 、vdw_kernel.bindat在POSCAR中拷入刚得到的MoS2晶胞的坐标数据，修改INCAR中的数据，通过一系列操作，最后输入运行代码nohupmpirun -np 8 vasp_stdgt;amp; 1.out amp;进行结构优化计算通过结构优化后可以得到CONTCAR并导出。
（2）接下来进行静态计算创建新的文件夹static,进入该文件夹后导入结构优化后的CONTCAR、POSCAR，注意还要考入没有结构优化之前的INCAR、KPOINTS并修改KPOINTS为4×4×4同样输入运行代码nohupmpirun -np 8 vasp_stdgt;amp; 1.out amp;进行静态计算得到CHGCAR、vasprun. xml并导出 6、将CHGCAR拖入VESTA中进行参数更改第1选择General里的Singleunitcell即可以看见一个更规整的晶胞结构；第2点击Atoms，在里面可以选择 Mo、S两个原子的颜色；第3选择Isosurfaces里的New，将Isosurface level改为0.05即可得到下图5 图5MoS2晶胞 7、通过一个脚本文件vaspkit的计算，可以得到TDOS.dat并导出，再由脚本文件的另外一个计算可导出PDOS_Mo.dat、PDOS_S.dat, 接着新建一个excel文档导入TDOS.dat、PDOS_Mo.dat、PDOS_S.dat中的数据并进行处理,将处理的数据导入Origin中再处理，即可得到下图6 图6 8、再创建文件夹bands,将CHGCAR、POSCAR、POTCAR、vdw_kernel.bindat拷贝进该文件夹，再将前面的INCAR、KPOINTS拷入。
在Matstudi软件中点击Tools—gt;Brillouin zone path可得到下图7 图7 最后在bands中用脚本文件计算，可以得到REFORMATTED_BAND. Dat并导出相同的方法在 Excel中处理数据再导入Origin中再处理，可以得到MoS2的能带结构图8 图8MoS2的能带结构图 六、课程设计结果： 根据以上能带结构图，我们可以清晰的看出这是一个间隙半导体，电子从价带转移到导带除了需要能量以外还需要位移 七、课程设计总结： 这一课程的学习，我初步掌握了Linux系统的简单操作以及简单的材料计算步骤通过这些学习接触到了材料计算这一专业领域，开拓了我的视野，认识到了更多的工作软件 1。