Forcite分子动力学模块计算温度对带隙和光谱的影响

本课程学习内容•计算石英晶体晶胞体积与温度的关系，了解分子动力学的初步使用。二.计算硅晶体晶胞体积与温度的关系，温度对带隙和光谱的影响。石英熔点～1800K6613.610/deg()17.410/deg(//)cdlldTc线膨胀系数作业1：查水晶c轴的定义？出处？作业2：根据的数据，估算1800K时，－石英晶胞的体积是多少？与动力学计算值比较。MM80：MirwaldandMasone(1980)静压实验。作业3：找Tridymite结构一.计算石英晶体晶胞体积与温度的关系，了解分子动力学的初步使用。1.在F盘中建立文件夹class09202.打开MaterialsStudio，在class0920中新建名为sio2的Project。3.由内部数据库，输入、-quartz的结构导入、两种石英晶体结构先优化-SiO2的结构。选择Quartz-beta为当前文件。选择分子动力学计算模块Forcite。从Forcite的下拉菜单中打开Calculation对话框，选择Setup选项卡，设置Task为结构优化，计算精度Quality为Ultra-fine。单击More按钮，在打开的对话框中勾选Optimizecell，设置迭代次数为500。4.用分子动力学计算模块Forcite优化两种石英晶体的结构打开Energy选项卡，设置力场Forcefield为COMPASS27，计算精度Quality为Ultra-fine。打开JobControl选项卡，选用本地机MyComputer进行计算，设置并行数＝2，单击Run进行结构优化。同样对-SiO2进行结构优化，Project中出现两个新文件夹。由File/SaveProject保存文件；再由Window/Closeall关闭窗口文件。双击四个结构文件由Window/TileVertically排列四个结构图。1、3分别是实验确定的-SiO2和-SiO2；2、4分别是结构优化的-SiO2和-SiO2。3241依次使这四个结构文件为当前文件，同时在右下角的Properties中选Lattice3D，显示相应结构的体积和空间群。这些信息列于结构图的左右两侧。可以看出2、4的体积一样。依次选中一个结构图，用FindSymmetry找其对称性，信息列于结构图的上下两侧。比较四个图的信息可知，1、3未变，2、4的体积一样，空间群也一样。即结构优化后，-SiO2变为-SiO2。这样我们就在不同的温度下计算-SiO2的性质。结构优化后，-SiO2转变为-SiO2，体积一样。12143关闭其它文件，仅保留结构图4，即结构优化后的-SiO2的结构。按右图所示的步骤，Edit/SelectAll/Copy，选择结构优化的-SiO2的结构。鼠标移至Project的SiO2上，按右键，在下拉菜单中选择3DAtomisticDocument，工作窗口中出现一个空的3DAtomistic.xsd。5.计算不同温度下-SiO2晶胞的体积由Edit/Paste，将结构优化后的-SiO2的结构复制到新的3DViewer上。在3DViewer的空白处单击左键，取消选择。鼠标移至Project的3DAtomistic.xsd上，按右键，单击下拉菜单中的Rename，将文件名改为sio2_100.xsd。同样，在Project下继续复制结构优化后的quartz_beta.xsd，分别将这些新的3DAtomistic.xsd重新命名为SiO2_200~SiO2_2000.xsd。课堂时间少，同学作4个：SiO2_300.xsd、SiO2_800.xsd、SiO2_1600.xsd、SiO2_1800.xsd收敛性测试～模拟计算时间与晶胞体积的关系单击More按钮，选择Dynamics标签，按右图进行设置。注意温度固定在1200K，其余设置不变。选择分子动力学计算模块Forcite。从Forcite的下拉菜单中打开Calculation对话框，选择Setup标签，设置Task为动力学(Dynamics)，计算精度Quality为medium。计算1200K下-SiO2的体积，比较模拟时间对计算出的体积数值的影响，以设置合适的模拟时间。结构文件为sio2_1200.xsd，设为当前文件。打开JobControl选项卡，选用本地机MyComputer进行计算，设置并行数＝2，单击Run进行结构优化。打开Energy选项卡，设置力场Forcefield为COMPASS27，计算精度Quality为Medium。计算结束后，Project中出现一个新文件夹从计算结果中可以看出，模拟50ps，温度没有收敛，在Properties中选Lattice3D，可见晶胞体积为118.657。由File/SaveProject保存文件，再由Window/Closeall关闭窗口文件。再次设sio2_1200.xsd为当前文件。单击More按钮，选择Dynamics标签，按右图进行设置。注意温度固定在1200K，模拟时间增大为100ps，其余设置不变。选择分子动力学计算模块Forcite。从Forcite的下拉菜单中打开Calculation对话框，选择Setup标签，设置Task为动力学(Dynamics)，计算精度Quality为medium。打开JobControl选项卡，选用本地机MyComputer进行计算，设置并行数＝2，单击Run进行结构优化。计算结束后，Project中出现一个新文件夹。从计算结果中可以看出，模拟100ps，温度没有收敛，在Properties中选Lattice3D，可见晶胞体积为124.931。重复前面步骤，保持温度不变，模拟时间继续由100ps增大至200、300、400ps…，得到多个新文件夹。从中可以看到，随着模拟时间的增长，Temperature的震荡逐渐减小，计算出的晶体体积逐渐趋于一个常数。权衡计算时间与计算精度，本课程取模拟时间为300ps。温度高，收敛快。下面将模拟时间固定为300ps，改变温度，计算相应的晶胞体积。单击More按钮，选择Dynamics标签，按右图进行设置。注意温度固定在100K，其余设置不变。选择分子动力学计算模块Forcite。从Forcite的下拉菜单中打开Calculation对话框，选择Setup标签，设置Task为动力学(Dynamics)，计算精度Quality为medium。计算100K下-SiO2的体积，模拟时间定为300ps。设结构文件sio2_100.xsd为当前文件。打开JobControl选项卡，选用本地机MyComputer进行计算，设置并行数＝2，单击Run进行结构优化。打开Energy选项卡，设置力场Forcefield为COMPASS27，计算精度Quality为Medium。计算结束后，Project中出现一个新文件夹从计算结果中可以看出，模拟100ps，温度逐渐收敛到100K附近。在Properties中选Lattice3D，可见晶胞体积为124.581，对称性是P1。用同样的步骤，计算200、300、400…2000K温度下的SiO2晶胞体积。课堂上只取300、800、1600K三个温度，计算晶胞体积，记下对称性。不同温度下SiO2晶胞的体积和对称性C2C2P1P1P1P1C2P6222P3221P6222P6222P6222P3221P6222P6222作业4：解释对称性符号，尝试讨论相变。二.计算硅晶体晶胞体积与温度的关系，温度对带隙和光谱的影响。1.仍然在名为sio2的Project中建文件，由内部数据库输入Si的结构。按右图的步骤，将晶胞转换为原胞，减小计算量。2.用Forcite计算300K下硅的结构模拟时间仅为50ps，时间短，温度没收敛。示意看看温度的影响。3.以300K下Forcite计算出的硅结构为稳定构形，用第一性原理软件CASTEP计算其能带和光谱由File/SaveProject保存文件；再由Window/Closeall关闭窗口文件。激活300K下Forcite计算出的硅结构，使其为当前文件。几分钟后计算完成，出现新文件打开CASTEP分析对话框，显示能带结构图。作业5：显示BZ中高对称点G、F、Q、Z的数值。继续显示光谱图使Si_Optics.castep为当前文件。在分析对话框中选择Opticalproperties，设置好后按Calculate。计算结束后按View。Project中出现新文件，光谱也显示出来。用同样方法计算1000K时硅的能带和光谱