MaterialsStudio软件在《硅材料科学与技术》教学中的应用
摘 要：Materials Studio是一系列先进的材料设计、计算模拟程序包，由友好而功能强大的Visualizer使用界面加以整合，具有强大的三维可视材料分子建模能力。
程序包中的CASTEP模块采用平面波?势基组结合密度泛函理论，对周期性材料体系进行理论计算模拟，是一个功能强大的材料学研究工具。
采用Materials Studio 程序包，对《硅材料科学与技术》这门课程的知识点及基本原理进行操作、演示及计算，可以使教学内容更加形象、生动、丰富，知识点更易于被学生理解，是教学环节的一个必要补充。
对提升教学质量、提高教学效率、激发学生的学习兴趣、促进其专业技能和素质的培养都具有一定的促进作用。
本文旨在探索教学方法的改进及创新，为材料科学的学科建设及教学方法的探索提出有益的尝试。
毕业论文网 /2/view—12234936.htm 关键词：硅材料科学与技术；Materials Studio；CASTEP；计算模拟；教学方法 《硅材料科学与技术》是材料学院相关专业的重要专业课，在学习半导体物理、晶体物理、固体物理等课程的基础上，学习半导体硅材料的基本性质、制备工艺、结构和性能等方面的知识。
在教学过程中，如果能形象生动地展开教学活动，直观地解释相关的物理概念、现象、过程、结构及状态等。
因此，在学习基础理论的同时，采用Materials Studio计算模拟软件对半导体硅材料进行模拟计算，培养学生的自主创新和动手动脑能力。
为后续课程的学习、技能的培养和将来的研究工作打下基础。
1 Visualizer可视化分子建模界面结合《硅材料科学与技术》教学环节的设计 1.1 简介 Materials studio材料计算模拟软件是美国Accelrys 公司为材料科学领域开发的一款科学计算模拟软件，用于帮助科研工作者解决当今材料科学中的一些重要问题。
因此《硅材料科学与技术》中的物理及化学性质，所涵盖的知识点及概念可以利用Materials Studio 软件建模并计算，功能强大，操作简单直观。
在此基础上也能进行位错及缺欠的构建；构建超晶胞；计算弹性模量；电子光谱与介电常数；红外、拉曼光谱；声子谱及声子态密度；电子结构及密度的可视化等等。
1.2 硅单晶胞的导入及超胞的建立 Materials Studio/Visualizer程序包内建了很多常用的晶体结构，包括半导体硅材料的晶体结构。
通过Visualizer 模块中的File—〉Import—〉Structure—〉semiconductors—>Si.msi功能导入程序内建的硅单晶结构，并三维可视化。
在此晶体结构基础上进行超晶胞拓展。
其操作为Visualizer 模块中的File—〉Build—〉Symmetry—〉Supercell，在弹出的Supercell对话框中的Supercell range： A： B： C：空白处填入想要生成的超晶胞维度，接着再按下Create Supercell 按钮就可生成硅的超晶胞。
之后需要通过File—〉Build—〉Symmetry—〉Make P1 操作来降低超晶胞的对称性。
2 CASTEP模块在教学中的应用 CASTEP（Cambridge Sequential Total Energy Package 的缩写）是专为固体材料科学设计的当前最高水平的量子力学软件包之一，下面我们简要举两个例子讲述如何应用Materials Studio & CASTEP 软件讲解相关知识和概念。
2.1 能带结构及态密度的计算及演示 在导入Si晶胞的基础上，转化成元胞，依次操作Visualizer 模块中的File—〉Modules—〉CASTEP—〉Calculation，在弹出的对话框中设置，设置完成后按Run 按钮进行运算，计算之后，操作File—〉Modules—〉CASTEP—〉Analysis，选取Band Structure，然后按View，则显示出能带结构。
对比教科书上的图形，可以为学生讲解半导体硅材料本证半导体是间接带隙半导体材料。
2.2 电子光谱与介电函数的计算 半导体硅单胞的计算，Setup选单如下，Propertities选单勾选Optical properties。
这里需要注意Empty bands 的预设值往往不够，应由收敛性测试来加以确定，如果没有做收敛性测试而没有线索，则先用占据之价带数的两倍作为初始值较为合适，尤其是超晶胞内原子较多时，计算更应注意此值得设定要符合要求。
之后按下run进行运算，job运行完成后，点选波浪选单里的Analysis开始分析。
点选Optical properties 然后可以看到Function里有很多选项。
查看介电函数则选择Dielectric Function。
在Calculation选项里选择Polycrystalline，然后按下View之后就可以得到结果了，如图2所示。
3 总结 Materials Studiao 具有强大的建模功能，并自带有很多晶体数据；而CASTEP 计算模块可以很方便的计算出《硅材料科学与技术》课程中涉及的很多基础概念，在教学过程中恰当地运用此类计算模拟软件，通过可视化图形展示，能够激发学生兴趣、促进其动手和理论联系实际的能力。
教学过程更加生动，形象，引人入胜。
能激发学生的学习兴趣，提高教学质量和效率，促进材料科学教学工作的改进 参考文献 [1]于永宁 《材料科学基础》 高等教育出版社，2005，9 [2]杜永胜《Materials Studio 在固体物理教学中的应用》技术物理教学，2009年，第3期 [3][美] C.基泰尔 （CHARLES KITTEL）《固体物理导论》项金钟 吴兴惠译 化学工业出版社 2010年 原著第八版 [4]吴玉辉 等 《简析计算模拟软件对材料科学教学的促进作用》 吉林省教育学院学报 2012，12. 作者简介 吴玉辉，长春理工大学材料科学与工程学院讲师， 博士。
吴 盼，吉林大学附属中学，教师。