MaterialsStudio軟件在《硅材料科學(xué)與技術(shù)》教學(xué)中的應(yīng)用

吳玉輝　吳盼

摘 要：Materials Studio是一系列先進(jìn)的材料設(shè)計(jì)、計(jì)算模擬程序包，由友好而功能強(qiáng)大的Visualizer使用界面加以整合，具有強(qiáng)大的三維可視材料分子建模能力。程序包中的CASTEP模塊采用平面波贋勢(shì)基組結(jié)合密度泛函理論，對(duì)周期性材料體系進(jìn)行理論計(jì)算模擬，是一個(gè)功能強(qiáng)大的材料學(xué)研究工具。采用Materials Studio 程序包，對(duì)《硅材料科學(xué)與技術(shù)》這門課程的知識(shí)點(diǎn)及基本原理進(jìn)行操作、演示及計(jì)算，可以使教學(xué)內(nèi)容更加形象、生動(dòng)、豐富，知識(shí)點(diǎn)更易于被學(xué)生理解，是教學(xué)環(huán)節(jié)的一個(gè)必要補(bǔ)充。對(duì)提升教學(xué)質(zhì)量、提高教學(xué)效率、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)其專業(yè)技能和素質(zhì)的培養(yǎng)都具有一定的促進(jìn)作用。本文旨在探索教學(xué)方法的改進(jìn)及創(chuàng)新，為材料科學(xué)的學(xué)科建設(shè)及教學(xué)方法的探索提出有益的嘗試。

關(guān)鍵詞：硅材料科學(xué)與技術(shù)；Materials Studio；CASTEP；計(jì)算模擬；教學(xué)方法

《硅材料科學(xué)與技術(shù)》是材料學(xué)院相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)課，在學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理、晶體物理、固體物理等課程的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)半導(dǎo)體硅材料的基本性質(zhì)、制備工藝、結(jié)構(gòu)和性能等方面的知識(shí)。在教學(xué)過(guò)程中，如果能形象生動(dòng)地展開(kāi)教學(xué)活動(dòng)，直觀地解釋相關(guān)的物理概念、現(xiàn)象、過(guò)程、結(jié)構(gòu)及狀態(tài)等。因此，在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的同時(shí)，采用Materials Studio計(jì)算模擬軟件對(duì)半導(dǎo)體硅材料進(jìn)行模擬計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新和動(dòng)手動(dòng)腦能力。為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、技能的培養(yǎng)和將來(lái)的研究工作打下基礎(chǔ)。

1 Visualizer可視化分子建模界面結(jié)合《硅材料科學(xué)與技術(shù)》教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

1.1 簡(jiǎn)介

Materials studio材料計(jì)算模擬軟件是美國(guó)Accelrys 公司為材料科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的一款科學(xué)計(jì)算模擬軟件，用于幫助科研工作者解決當(dāng)今材料科學(xué)中的一些重要問(wèn)題。因此《硅材料科學(xué)與技術(shù)》中的物理及化學(xué)性質(zhì)，所涵蓋的知識(shí)點(diǎn)及概念可以利用Materials Studio 軟件建模并計(jì)算，功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單直觀。在此基礎(chǔ)上也能進(jìn)行位錯(cuò)及缺欠的構(gòu)建；構(gòu)建超晶胞；計(jì)算彈性模量；電子光譜與介電常數(shù)；紅外、拉曼光譜；聲子譜及聲子態(tài)密度；電子結(jié)構(gòu)及密度的可視化等等。

1.2 硅單晶胞的導(dǎo)入及超胞的建立

Materials Studio/Visualizer程序包內(nèi)建了很多常用的晶體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體硅材料的晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)Visualizer 模塊中的File-〉Import-〉Structure-〉semiconductors->Si.msi功能導(dǎo)入程序內(nèi)建的硅單晶結(jié)構(gòu)，并三維可視化。在此晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行超晶胞拓展。其操作為Visualizer 模塊中的File-〉Build-〉Symmetry-〉Supercell，在彈出的Supercell對(duì)話框中的Supercell range： A： B： C：空白處填入想要生成的超晶胞維度，接著再按下Create Supercell 按鈕就可生成硅的超晶胞。之后需要通過(guò)File-〉Build-〉Symmetry-〉Make P1 操作來(lái)降低超晶胞的對(duì)稱性。下圖1給出了導(dǎo)入的Si單晶胞的堆積結(jié)構(gòu)。

2 CASTEP模塊在教學(xué)中的應(yīng)用

CASTEP（Cambridge Sequential Total Energy Package 的縮寫）是專為固體材料科學(xué)設(shè)計(jì)的當(dāng)前最高水平的量子力學(xué)軟件包之一，下面我們簡(jiǎn)要舉兩個(gè)例子講述如何應(yīng)用Materials Studio & CASTEP 軟件講解相關(guān)知識(shí)和概念。

2.1 能帶結(jié)構(gòu)及態(tài)密度的計(jì)算及演示

在導(dǎo)入Si晶胞的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)化成元胞，依次操作Visualizer 模塊中的File-〉Modules-〉CASTEP-〉Calculation，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置，設(shè)置完成后按Run 按鈕進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算之后，操作File-〉Modules-〉CASTEP-〉A(chǔ)nalysis，選取Band Structure，然后按View，則顯示出能帶結(jié)構(gòu)。對(duì)比教科書上的圖形，可以為學(xué)生講解半導(dǎo)體硅材料本證半導(dǎo)體是間接帶隙半導(dǎo)體材料。

2.2 電子光譜與介電函數(shù)的計(jì)算

半導(dǎo)體硅單胞的計(jì)算，Setup選單如下，Propertities選單勾選Optical properties。這里需要注意Empty bands 的預(yù)設(shè)值往往不夠，應(yīng)由收斂性測(cè)試來(lái)加以確定，如果沒(méi)有做收斂性測(cè)試而沒(méi)有線索，則先用占據(jù)之價(jià)帶數(shù)的兩倍作為初始值較為合適，尤其是超晶胞內(nèi)原子較多時(shí)，計(jì)算更應(yīng)注意此值得設(shè)定要符合要求。之后按下run進(jìn)行運(yùn)算，job運(yùn)行完成后，點(diǎn)選波浪選單里的Analysis開(kāi)始分析。點(diǎn)選Optical properties 然后可以看到Function里有很多選項(xiàng)。查看介電函數(shù)則選擇Dielectric Function。在Calculation選項(xiàng)里選擇Polycrystalline，然后按下View之后就可以得到結(jié)果了，如圖2所示。

3 總結(jié)

Materials Studiao 具有強(qiáng)大的建模功能，并自帶有很多晶體數(shù)據(jù)；而CASTEP 計(jì)算模塊可以很方便的計(jì)算出《硅材料科學(xué)與技術(shù)》課程中涉及的很多基礎(chǔ)概念，在教學(xué)過(guò)程中恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用此類計(jì)算模擬軟件，通過(guò)可視化圖形展示，能夠激發(fā)學(xué)生興趣、促進(jìn)其動(dòng)手和理論聯(lián)系實(shí)際的能力。教學(xué)過(guò)程更加生動(dòng)，形象，引人入勝。能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量和效率，促進(jìn)材料科學(xué)教學(xué)工作的改進(jìn)

參考文獻(xiàn)

[1]于永寧 《材料科學(xué)基礎(chǔ)》 高等教育出版社，2005，9

[2]杜永勝《Materials Studio 在固體物理教學(xué)中的應(yīng)用》技術(shù)物理教學(xué)，2009年，第3期

[3][美] C.基泰爾 （CHARLES KITTEL）《固體物理導(dǎo)論》項(xiàng)金鐘 吳興惠譯 化學(xué)工業(yè)出版社 2010年 原著第八版

[4]吳玉輝 等 《簡(jiǎn)析計(jì)算模擬軟件對(duì)材料科學(xué)教學(xué)的促進(jìn)作用》 吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào) 2012，12.

作者簡(jiǎn)介

吳玉輝，長(zhǎng)春理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師， 博士。

吳 盼，吉林大學(xué)附屬中學(xué)，教師。