Materials Studio軟件在物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

李延偉 姚金環(huán) 楊建文 利 明

桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院 廣西桂林 541004

為了進(jìn)一步優(yōu)化研究生知識(shí)結(jié)構(gòu)，更好地體現(xiàn)研究生教育的特點(diǎn)，我?；瘜W(xué)工程與技術(shù)一級(jí)學(xué)科碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)和化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)型碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)開(kāi)設(shè)了物質(zhì)結(jié)構(gòu)課程。該課程內(nèi)容的兩大核心內(nèi)容—電子結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)及材料性能，是化學(xué)、化工、材料等相關(guān)學(xué)科學(xué)生在更深層次理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物性本質(zhì)的階梯，對(duì)培養(yǎng)研究生從微觀層次上分析問(wèn)題、拓展思路、抓住問(wèn)題的本質(zhì)，提高理論聯(lián)系實(shí)際能力和科學(xué)思維能力起著重要的作用[1,2]。然而物質(zhì)結(jié)構(gòu)課程涉及大量的數(shù)學(xué)物理知識(shí)、理論性強(qiáng)、概念非常抽象，學(xué)生普遍感到不容易理解和掌握，教學(xué)難度較大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和理論計(jì)算模擬方法的發(fā)展，通過(guò)化學(xué)計(jì)算軟件很容易將物質(zhì)的很多微觀結(jié)構(gòu)信息以3D圖像的形式直觀、清晰地展現(xiàn)出來(lái)[3,4]。為了有效地突破課程教學(xué)難點(diǎn)，我們將計(jì)算模擬軟件引入課堂教學(xué)。實(shí)踐表明，通過(guò)3D圖形將物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)可視化，將抽象、復(fù)雜的概念形象化，將使物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)過(guò)程變得形象生動(dòng)、直觀清晰，這對(duì)突破物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)難點(diǎn)，提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣將起到非常積極的作用。本文將結(jié)合實(shí)例介紹，如何利用Materials Studio模擬軟件構(gòu)建和分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和差分電荷密度等概念。

1 Materials Studio軟件簡(jiǎn)介

Materials Studio軟件包由美國(guó)Accelrys公司出品，是專(zhuān)門(mén)為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者開(kāi)發(fā)的一款可在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的模擬軟件。該軟件集量子力學(xué)、分子力學(xué)、介觀模型、分析工具模擬和統(tǒng)計(jì)相關(guān)為一體，可以幫助解決當(dāng)今催化劑、固體及表面、晶體與衍射、聚合物、化學(xué)反應(yīng)等材料和化學(xué)研究領(lǐng)域的一系列重要問(wèn)題。Materials Studio軟件支持Windows，Linux以及Unix等多種操作平臺(tái)，能方便地構(gòu)建材料的三維結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)各種晶體、無(wú)定型以及高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過(guò)程進(jìn)行深入的研究。材料的構(gòu)型優(yōu)化、性質(zhì)預(yù)測(cè)和X射線衍射分析以及復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模擬和量子力學(xué)計(jì)算，都可以通過(guò)Materials Studio軟件的一些簡(jiǎn)單易學(xué)的操作得到較為可靠的數(shù)據(jù)。目前，該軟件被廣泛應(yīng)用于化工、石化、石油、制藥、食品、電子、汽車(chē)和航空航天等工業(yè)及教育研究部門(mén)。

2 Materials Studio軟件在物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 材料晶體結(jié)構(gòu)建模

Materials Studio軟件的Visualizer模塊提供了構(gòu)建材料結(jié)構(gòu)模型所需要的所有工具，可以操作、觀察及分析結(jié)構(gòu)模型，并提供軟件的基本環(huán)境和分析工具，是該軟件的核心模塊。這里以V2O5材料為例，利用Visualizer模塊構(gòu)建V2O5的晶體結(jié)構(gòu)。V2O5空間群為 Pmmn，原子坐標(biāo)V (0.851 18，0.0，0.891 70)；O1(0.0，0.0，0.001)；O2(0.854 3，0.0，0.531)；O3(0.681 1，0.0，0.003)，單胞晶格常數(shù)為a=11.512 ?，b=3.564 ?，c=4.368 ?[5]。根據(jù)以上參數(shù)，通過(guò)Visualize建立的V2O5單胞如圖1所示?？梢钥闯?，V2O5晶體具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，每層中V原子與周?chē)?個(gè)O原子形成V-O鍵，V原子處于畸變的[VO5]四方錐體中間，O原子位于頂點(diǎn)處，[VO5]四方錐以共頂點(diǎn)和共邊的方式相互連接，形成平面結(jié)構(gòu)。

圖1 V2O5單胞

2.2 材料的電子結(jié)構(gòu)分析

采用CASETP模塊中基于密度泛函理論的交換關(guān)聯(lián)函數(shù)(GGA)方法計(jì)算V2O5的電子結(jié)構(gòu)。圖2是利用CASTEP計(jì)算得到的V2O5的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度圖。從圖2c可以看出，V2O5是間接帶隙半導(dǎo)體，價(jià)帶頂位于0 eV，導(dǎo)帶底位于2.03 eV，間接帶隙值為2.03 eV，對(duì)應(yīng)與從U點(diǎn)到G點(diǎn)的躍遷。在費(fèi)米能級(jí)以上約2 eV處，有一個(gè)由兩條能帶組成的非常扁平的劈裂帶，寬度約為0.6 eV，說(shuō)明此處電子具有很強(qiáng)的定域性，電子遷移率很低。態(tài)密度是單位能量間隔內(nèi)的電子態(tài)數(shù)目，可以作為能帶結(jié)構(gòu)的一個(gè)更直觀的可視化結(jié)果。對(duì)比圖2a，圖2b可以看出，能帶越平對(duì)應(yīng)的態(tài)密度值越大，能帶約寬對(duì)應(yīng)的態(tài)密度值越小。從圖2d可以看出，費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度是由O和V共同貢獻(xiàn)的，即O和V的態(tài)密度有顯著的交疊，說(shuō)明O原子和V原子之間形成了較強(qiáng)的化學(xué)鍵。仔細(xì)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，略低于費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度主要由O貢獻(xiàn)，高于費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度主要由V貢獻(xiàn)。

圖2 V2O5的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度圖(圖b和d分別是圖a和c的局部放大圖)

圖3 a是利用CASTEP計(jì)算得到的V2O5差分電子密度等值面圖，圖中深灰色區(qū)域表示富電子區(qū)，黃色區(qū)域表示貧電子區(qū)，可以看到V和O之間存在明顯的電荷轉(zhuǎn)移，V原子失去電子帶正電，O原子得到電子帶負(fù)電。從圖3b的差分電子密度切面圖可以更清楚地看到O附近的電荷密度為正值、帶負(fù)電，V原子附近的電荷密為負(fù)值、帶正電。V原子和O原子之間存在一定的電荷富集區(qū)，表明V2O5中V-O鍵是具有一定共價(jià)鍵成分的離子鍵。

圖3 V2O5的差分電荷密度圖(a為等值面立體圖，b為切面圖)

3 結(jié)語(yǔ)

Materials Studio是一款功能強(qiáng)大的計(jì)算模擬軟件，它能優(yōu)化物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)、計(jì)算物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)，并將這些信息圖形化。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中采用Materials Studio模擬軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，不僅能使抽象的理論和概念變得直觀、形象、易于理解，還能提高教學(xué)效率、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，有必要發(fā)掘和利用這類(lèi)軟件，使其在物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其他相關(guān)課程教學(xué)中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)

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