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摘要：为解决材料科学教学中存在的理论复杂、难度大、不易讲解的问题，采用第一性原理模拟软件Castep结合相关问题进行数值分析，利用计算机数值仿真技术辅助材料科学进行教学研究。结果表明通过计算机模拟能够使学生更深入地理解相关材料科学知识，获得清晰的物理图像，达到良好的教学效果。同时，软件的使用可以帮助学生将所学知识通过计算机转变为解决问题的能力，为其以后的研究工作打下坚实的基础。
关键词：材料科学；Castep；教学
本文引用格式：李强.Castep软件在材料科学教学中的应用[J].教育现代化,2019,6(85):220-221,243.
材料科学是研究材料结构、组分、温度之间的相互关系以及对其性能影响的学科[1]，也是现代工业发展的基础。然而材料科学课程涉及大量的数学推导过程，尤其是理论力学、材料力学这两门学科需要学生具有扎实的数学推导能力，学生普遍反应学习比较困难。这就给材料科学专业的教学带来了一些新的问题：理论推导过程的复杂性容易使学生陷入到数学公式中而忽视对物理内涵的理解和把控。如果能恰当地使用直观形象的案例教学方法，就能很好地使学生获得感性认知，大幅度提升课堂教学效率。数学是材料科学研究的基本工具，物理学是材料科学研究的基础，当我们建立起清晰的物理图像之后，材料科学的教学将变得游刃有余，否则老师付出了艰辛的劳动，而学生却收不到好的教学效果。随着互联网和计算机技术的发展，完全依靠书本的传统教育已经越来越不适应于现代本科教育，这就要求我们进行教育教学改革，采用如网络教育、混合式教学等多种教育形式，以学生为主体，让学生在轻松愉快中学到知识，形成技能。
Materials Studio是目前分子模拟领域的各种先进方法和优异建模及可视化分析的大型集合软件[2]，能够帮助我们理解和解决材料科学中复杂的物理问题和材料力学问题。而Castep作为一款基于密度泛函方法的从头算量子力学程序包含在Materials Studio当中。Castep的典型应用包括表面化学，键结构，态密度、光学性质和力学性能等方面的研究。材料科学的教学重点要关注材料的结构、组分和性能，这里我们逐一讲解通过Materials Studio和Castep软件如何实现这三步。
一晶体结构的建立和认识
Materials Studio软件的Visualizer模块具有强大的建模能力[3-7]，它可以容易地建立和处理图形模型，包括有机、无机晶体、高聚物、非晶态材料等近上千种典型结构。Materials Visualizer也管理、显示并分析文本、图形和表格格式的数据，支持与其它字处理、电子表格和演示软件的数据交换。Visualizer的Build模块提供了用户所需的各种建模工具，完全可以满足材料科学教学的需要。金属通常包括三种典型结构：体心立方、面心立方和密排六方。Materials Studio软件很容易导入对应的结构，学生可以亲自动手操作，并自己观察这三种结构的原胞、单胞和超胞。以往的教学我们发现学生对单胞与原胞的差异、简单格子和复式格子的关系始终存在认知难度，因此我们可以借助Material Studio软件首先导入晶胞结构，在此基础上依次点击Build、Symmetry、Primitive cell，实现原胞和单胞的转换，而通过Conventional cell功能可以将原胞转换成单胞。
如图1所示为我们实际教学中通过Materials Studio软件的Visualizer模块绘制的Ta的单胞、原胞和超胞结构。可以看到Visualizer模块显示的Ta的三种结构直观、形象，一目了然。教学实践发现，运用Material Studio软件进行晶体结构教学的学生比未应用Material Studio软件进行教学的学生对晶体结构的掌握要好很多。
Visualizer模块还包含一个名为Amorphous Cell的分模块，能预测并研究的性质包括内聚能密度、状态方程行为、链堆砌和局部链运动，适合于创建界面模型，用于研究粘着和润滑。
二材料光学性质的计算
材料的光学性质包括吸收谱、介电函数、反射谱、折射系数，损失函数，导电率等。这些光学性质在材料科学中都有对应的公式介绍，但大多数学生们看到这些公式感到很茫然，因为他们不知道这些公式怎么来的？体现什么内涵，而书本的内容却比较抽象，这将影响他们对其物理本质和现象的认知。在Material Studio软件的Online help中不仅提供了吸收谱、介电函数、反射谱、折射系数、损失函数和导电率之间的公式和转换关系，还给出了它们之间的计算原理。就这一点来讲，让学生深刻的认识了光学性质的物理本质，解决了他们深藏心中的疑惑。另外Online help中还给出了计算光学性质的具体步骤，学生可以按照提示一步步完成对应的计算。我们以金红石TiO2为例说明计算其光学性质的步骤。
首先通过菜单栏File/import功能从模型库（share\Structures\metal-oxides）中输入需要计算光学性质的金红石TiO2单胞模型：TiO2_rutile.msi；从菜单栏中选择Modules，再选择CASTEP模块，然后从下拉列中选择Calculation。在CASTEP Calculation的Setup标签中，把Task设置为Geometry Optimization，把Quality设置为Fine，并且把Functional设置为GGA或者PW91泛函。按下More按钮，选中Optimize cell。关闭CASTEP Geometry Optimization对话框，选择Electronic标签，按下More按钮以得到CASTEP Electronic Options对话框。把Derived grid的设置从Standard改为Fine，关闭CASTEP Electronic Options对话框。选择Job Control标签，设定本地运算，按下CASTEP Calculation对话框中的run命令，等待结构优化完成。
当结构优化完成后，使TiO2_rutile CASTEP GeomOpt/TiO2_rutile.xsd处于激活状态。选择CASTEP Calculation对话框中的Setup标签，从Task的下拉清单中选择Optical properties，最后按Run运行。
当Optical properties计算完成后，选择CASTEP模块，然后从下拉列中选择Analysis/Optical properties，点击Calculation和View，即可观察到金红石TiO2的反射光谱。整个教学过程生动有趣，学生兴趣盎然，学习效果大大提升。
三材料弹性性质的计算
材料最重要的两个性能是弹性和塑性，而弹性常数的理论计算对于材料科学专业来讲是非常重要的，其是设计材料的首要考察指标。用Castep预测材料弹性性能的采用下面三步，这里以Ta的弹性常数为例。
首先通过菜单栏File/import功能从模型库中输入需要计算弹性性质的Ta金属单胞模型；从菜单栏中选择Modules，再选择CASTEP模块，然后从下拉列中选择Calculation。在CASTEP Calculation的Setup标签中，把Task设置为Geometry Optimization，把Quality设置为Fine，并且把Functional设置为GGA或者PW91泛函。按下More按钮，选中Optimize cell。关闭CASTEP Geometry Optimization对话框，选择Electronic标签，按下More按钮以得到CASTEP Electronic Options对话框。把Derived grid的设置从Standard改为Fine，关闭CASTEP Electronic Options对话框。选择Job Control标签，设定本地运算，按下CASTEP Calculation对话框中的run命令，等待结构优化完成。
当结构优化完成后，使Ta CASTEP GeomOpt/Ta.xsd处于激活状态。选择CASTEP Calculation对话框中的Setup标签，从Task的下拉清单中选择Elastic Constants。按下More按钮，在CASTEP Elastic Constants对话框将Number of steps for each strain由4增加为6，按Run运行。待运行结束后，在Ta.castep文件得到Ta的弹性常数、剪切模量、块体模量、杨氏模量和泊松比，如表1所示，为我们获得的Ta的弹性常数、弹性常数、剪切模量、块体模量和杨氏模量。
从整个计算弹性常数和弹性模量的过程可以看出，学生只要在教师的引导下都可以完成相关任务的计算和分析。通过在材料科学教学中引入这一教学环节，学生对材料科学的学习兴趣极大提高，他们也从中体会到了学习和探索的乐趣。
四结论
通过引入Castep软件辅助材料科学的教学，我们发现学生的学习积极性大幅度提升，原来枯燥乏味的公式推导转变成了形象生动的探索性学习，增强了学生的参与度和求知欲，培养了学生的创新能力和实践能力，为学生将来开展科学研究奠定了坚实的基础。
参考文献
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