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计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，也是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能以及性能的计算机理论模拟与设计的学科，是当前材料科学研究不可或缺一部分研究方法。其主要涉及到材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。

跨学科研究

元素周期表

  • 电负性：值越大，电负性越强，即越容易得到电子

Bravais点阵

  • 半导体材料中，最常见的Bravais格子是fcc格子和hcp格子
  • fcc Bravais格子：Si, Ge, GaAs,…
  • hcp Bravais格子：GaN, ZnO,…

周期性边界条件

金刚石结构

晶面与晶向

DFT处理原理

基于DFT的材料科学计算模拟方法不仅可以研究现有材料，而且可以预测新材料

基本概念

DFT计算前的检查工作

DFT计算的应用-晶体结构预测

  • 1D、2D以及3D晶体结构预测

DFT计算的应用-结构稳定性

  • 动力学、热力学以及机械稳定性

DFT计算的应用-成键分析

  • 配位分析

DFT计算的应用-电子结构

  • 带隙、迁移率、光吸收效率等

DFT计算的应用-性能预测

  • 锂电、超导、拓扑 etc

DFT计算的应用-与实验对比

  • XRD、Raman、IR etc

计算程序选择/介绍/特色/优缺点

  1. 常用第一性原理计算程序
  1. 量化程序
  1. 基于经验势的分子动力学模拟程序

VSAP

常用可视化工具

第一性原理分子动力学模拟结果

References

[1] https://www.youtube.com/watch?v=e1rQlpqSOv4
[2] https://www.youtube.com/watch?v=iAaiffoHpx4
[3] https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/images/d/d2/LS14_VASP.pdf
[4] Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9468 – 9501
[5] Introduction to materials modelling, Edited by Dr. Zoe Barber
[6] J. Chem. Phys. 149, 114702 (2018)
[7] J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 1651–1658
[8] Phys. Chem. Chem. Phys., 2019, 21, 2572–2577
[9] Quantum-Espresso