第３５卷 第９期 ２０１５正 高师理科学刊 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ ａｎｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．９ Ｓｅｐ．２０１５ ９月 文章编号：１ ００７—９８３ １（２０１５）０９—００３４—０４ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｔｕｄｉｏ软件在固体物理学习中的应用 徐慧，王妮娜，路洪艳，陈三，耿磊 （淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北２３５０００） 摘要：以金属Ａｌ和半导体ｚｎｓ为例，介绍了Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｔｕｄｉｏ软件在固体物理学习中的应用．通过 建立晶格模型，计算能带、态密度、第一布里渊区和费米面，把这些抽象的物理概念具体化，从 而帮助学习者更加直观、深刻地理解相关概念和理论，显示了Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｔｕｄｉｏ在固体物理学习中 具有极大的优越性． 关键词：固体物理；Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｔｕｄｉｏ；晶格结构；电子结构 中图分类号：Ｏ４８１．１ 文献标识码：Ａ ｃｌｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—９８３１．２０１５．０９．０１ｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｔｕｄｉｏ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ＸＵ Ｈｕｉ，ＷＡＮＧ Ｎｉ－ｎａ，ＬＵ Ｈｏｎｇ－ｙａｎ，ＣＨＥＮ Ｓａｎ，ＧＥＮＧ Ｌｅｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｌｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｉｔｏｎ，Ｈｕｍ￣ｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｍ￣ｉ ２３５０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｈｏｏｓｉｎｇ ｍｅｔａｌ Ａ１ ａｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＺｎＳ ａｓ ｅｘａｍｐｌｅｓ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｔｕｄｉｏ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｐｈｙｓｉｃｓ．Ｂｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｌａｔｔｉｃｅ ｍｏｄｅｌ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄ，ｄｅｎｓｉｔｔｙ ｏｆ ｓｔａｔｅｓ，ｆｉｒｓｔ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｚｏｎｅ，ａｎｄ Ｆｅｒｍｉ ｓｕｒｆａｃｅ，ｔｈｅ ａｂｓｔｒａｃｔ ｐｈｙｓｉｃｓ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔ ｈｅｌｐｓ ｌｅａｒｎｅｒｓ ｔｏ ｈａｖｅ ｍｏｒｅ ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ ａｎｄ ｄｅｅｐｅｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｃｏｎｃｅｐ￣ａｎｄ ｔｈｅｏｒｉｅｓ，ｓｈｏｗｉｎｇ ｇｒｅａｔ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｉｎ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ｌｅａｒｎｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｌｄｓ．＂ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｐｈｙｓｉｃｓ；Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｔｕｄｉｏ；ｌａｔｔｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 固体物理是高等院校物理和材料专业的必修课程，也是现代高新技术的重要物理基础．固体物理是 以量子力学的相关理论为基础，研究粒子结构以及粒子间运动的规律和相互之间的作用，并阐述粒子用 途和性能的一门课程 之 ．固体物理是一门综合性很强的课程，学习这门课程要用到量子力学、统计物 理及分析力学等方面的专业知识．在学习固体物理的过程中，抽象难懂的量子力学知识和复杂的数学公 式计算让大部分学生在学习的过程中感到无所适从，难以形象、直观地理解相关概念． 随着计算模拟软件在科研、教学等领域的应用，可以借助计算模拟软件辅助固体物理学习 ．如 Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｔｕｄｉｏ，利用此软件可以较为清楚地掌握晶体结构、布里渊区、能带结构、费米面等基本概念， 使抽象问题具体化，提高课程的学习效率．本文以金属Ａｌ和半导体ＺｎＳ为例，采用Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｔｕｄｉｏ软件 中的ＣＡＳＴＥＰ程序包 ，建立晶体结构并计算电子结构．通过详细介绍这两个具体应用，可以加深学 生对固体物理中相关概念的理解与运用． 收稿日期：２０１５－０６—２０ 基金项目：国家自然科学基金项目（１１１０４０９９）；安徽省自然科学基金项目（１４０８０８５ＱＡ１２）；安徽省高等学校省级质量工程项目（２０１３ｊｔ：ｃｘ０４２ ２０１１２４８，２０１２ｊｙｘｍ２６１）；安徽省大学生创新训练计划项目（ＡＨ２０１３１０３７３１４３）；淮北师范大学校级教研项目（ｊｙ１３２３５，ｊｙｌ２１１１） 作者简介：徐慧（１９９２一），女，安徽风台人，在读本科生． 通信作者：路洪艳（１９８２一），女，山东聊城人，副教授，博士，从事理论物理学与计算材料学研究．Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｕｈｏｎｇｙａｎ２００６＠ｓｏｈｕ．ｔｏｎｉ 第９期 徐慧，等：Ｍａｔｅｒｉｌａｓ Ｓｔｕｄｉｏ软件在固体物理学习中的应用 ３７ 现Ａｌ为金属，费米能级处的态密度不为零，有费米面．而ＺｎＳ是一种直接带隙半导体，费米能级处的 态密度为零，没有费米面．因此，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｔｕｄｉｏ软件运用到固体物理领域，可以很方便地建立物理模 型，分析结构，模拟数据处理等．从而帮助学习者直观深刻地理解相关概念和理论，显示出Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｔｕｄｉｏ 软件运用到固体物理学习中具有极大的优越性． 参考文献： 【１】 黄昆．固体物理学［Ｍ】．北京：高等教育出版社，１９８８ ［２］ 阎守胜．固体物理基础【Ｍ］．北京：北京大学出版社，２０００ ［３］ 吴玉辉，吴盼，李永涛．Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｔｕｄｉｏ在固体物理教学实践中的应用［Ｊ］．学园，２０１３（３３）：５４—５５ ｌｍａｎ Ｖ，Ｗｉｎｋｌｅｒ Ｂ．Ｗｈｉｔｅ Ｊ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ：Ａ ｐｓ— ［４】 Ｍｉｅｕｄｏｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｐｌａｎｅ—ｗａｖｅ ｓｔｕｄｙ［Ｊ］．Ｉｎｔ Ｊ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｈｅｍ，２０００，７７（５）：８９５—９１０ ｅｒ Ｍ Ｐ．Ａｌｌｅｎ Ｄ Ｃ，ｅｔ ａ１．ｈｅｒａｔｉｖｅ ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ａｂ ｉｎｉｔｉｏ ｔｏｔａｌ—ｅｎｅｒｇｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ［５］ Ｐａｙｎｅ Ｍ Ｃ，Ｔｅｔｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ ｃｏｎｊｕｇａｔｅ ｇｒａｄｉｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｒｅｖ Ｍｏｄ Ｐｈｙｓ，１９９２，６４（４）：１０４５—１０９７ ｎｄｅｒｂｉｈ Ｄ． Ｓｏｆｔ ｓｅｌｆ－ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｐｓｅｕｄｏｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ ｉｎ ａ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ ｆｏｒｍａｌｉｓｍ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，１９９０，４１ 【６１ Ｖａ（１１）：７８９２～７８９５ 掺杂ＺｎＳ的第一性原理计算ＩＪ１＿人工晶体学报，２０１３，４２（１）：１６７—１７０ ［７］ 曾冬，符春林，蔡苇，等．Ｎｉ【８】 郝正同，杨子怡．ＫＳｉ能带结构及态密度的第一性原理研究［Ｊ１．井冈山大学学报，２０１０（３１）：３８—５８ Ｊ］．安徽理：［大学学报：自然科学版，２００９，２８（４）：８５—８８ 【９】 刘建军，章志敏．ｃｕ掺杂ＺｎＳ的第一性原理计算［Ｊ］．电脑知识与技术，２０１０（１４）：３７８５—３７８９ 【１０】 李骥，张凤英，王阳．如何分析第一性原理的计算结果［（上接第３３页） 参考文献： Ｆｒａｎｃｉｓ Ｘ Ｗ，Ｊｏｓｈｕａ Ｌｅｏｎ Ｌ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｄａｔａ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｗｉｔｈ ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｎｔｉｒｅｕｌａｒ ｉｆｂｒｉｌｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ， １９９８，３９２：７８ Ｇｏｒｒｌｏｖａ Ｎ Ａ，Ｂｕｒｅｓ Ｊ．Ｓｐｉｒａｌ ｗａｖｅｓ ｏｆ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｉｓｏｌａｔｅｄ ｃｈｉｃｋｅｎ ｒｅｔｉｎａ［Ｊ］．Ｊ Ｎｅｕｒｏ，１９８３，１４：３５３ Ｗｉｎｆｒｅｅ Ａ Ｔ，Ｓｃｌ Ａｍ．Ｓｐｉｒａｌ Ｗａｖｅｓ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｃｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９７２，１７５：６３４ Ｆｉｌｉｐｐｏｖ Ａ Ｅ，Ｐｏｐｏｖ Ｖ Ｌ，Ｐｓａｋｈｉｎ Ｓ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎｔｏ ｃｒｅｅｐ ｉｎ ｂｌｏｃｋ ｍｅｄｉａ［Ｊ］．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００５，３２：５４５ Ｇｌａｄｙｓｈｅｖａ Ｖ Ｏ，Ｇｌａｄｙｓｈｅｖａ Ｔ Ｍ，Ｄａｓｈｋｏ Ｇ Ｍ Ｉ，ｅｔ ａ１．Ｆｉｒｓｔ ｒｅｓｕｈｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ａ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ［Ｊ］．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００７，３３：２５２ Ｂｅｌｈａｍａｄｉａ Ｖ Ｙ，Ｆｏｒｔｉｎ Ａ，Ｂｏｕｒｇａｕｈ Ｙ． Ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｍｅｓｈ ａｄａｐｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｃｒｏｌｌ ｗａｖｅ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，２０１３，２７１：２３３ Ｔａｎｇ Ｊ，Ｌｕｏ Ｊ Ｍ，Ｍａ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｓｐｉｒａｌ ｗａｖｅｓ ｉｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ ｆｒａｃｔｌａ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａ Ａ：Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１３，３９２：２２ Ｋｕｋｌｉｋ Ｐ，Ｓａｎｄｅｒ Ｐ，Ｓｚｕｍｏｗｓｋｉ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ａｔｔｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｐｕｌｓｉｏｎ ｏｔ ｓｐｉｒａｌ ｗａｖｅｓ ｂｙ ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｉｓｏｔｒｏＤｖ—ａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｐｉｒａｌｗａｖｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆｈｅａｔｔｒｉｓｓｕｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｔｎａｌ ｏｆＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，２０１３，３９：６７ Ｋｕｋｌｉｋ Ｐ， Ｓｚｕｍｏｗｓｋｉ Ｌ， Ｓａｎｄｅｒｓ Ｐ， ｅｔ ａ１． Ｓｐｉｒａｌ ｗａｖｅ ｂｒｅａｋｕｐ ｉｎ ｅｘｃｉｔａｂｌｅ ｍｅｄｉａ ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｉｔｖ ０ｆ ｃｏｎｄｕｃｔｉ０ｎ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｉｎ Ｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，２０１０，４Ｏ：７７５ 【１０】 ＸＩＥ Ｆａ—ｇｅｎ， Ｑｕ Ｚｈｉ—ｌｉｎ， ＧＡＲＦＩＮＫＥＬ Ａ， ｅｔ ａ１． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｎａ ａｎｄ Ｋ ｃｈａｎｅｌ ｂｌｏｃｋａｄｅ ｏｎ ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｖ ｔｏ ａｎｄ ｔｅｒｍｉｎａｔｉ０ｎ ｏｆ ｉｆｂｒｉｌｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｃａｒｄｉａｃ ｔｉｓｓｕｅ［Ｊ］．Ａｍ Ｊ Ｐｈｖｓｉｏｌ Ｈｅａｔｒ Ｃｉｒｃ Ｐｈｙｓｉｏｌ，２００１，２８０：５３５ ＫＡＭＩＹＡ Ｋ，ＮＩＳＨＩＹＡＭＡ Ａ，ＹＡＳＵＩ Ｋ，ｅｔ ａ１．Ｓｈｏｒｔ—ａｎｄ ｌｏｎｇ—ｔｅｒｍ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ａｍｉｏｄａｒｏｎｅ ｏｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｃａｒｄｉａｃ ｄｅｌａｙｅｄ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ Ｋ ｃｕｒｒｅｎｔ［Ｊ］．Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ，２００１，１０３：１３ｌ７ ［１２］ ＱＵ Ｚｈｉ－ｌｉｎ，ＷＥＩＳＳ Ｊ Ｎ，ＧＡＲＦＩＮＫＥＬ Ａ．Ｃａｒｄｉａｃ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｒｅｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｅｅｎｔｒａｎｔ ｓｐｉｒａｌ ｗａｖｅｓ：ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｙ［Ｊ］．Ａｍ Ｊ Ｐｈｙｓｉｏｌ Ｈｃａｒｔ Ｃｉｒｃ Ｐｈｙｓｉｏｌ，１９９９，２７６：２６９ 【１３】 ＱＵ Ｚｈｉ－ｌｉｎ，ＷＥＩＳＳ Ｊ Ｎ．Ｃａｒｄｉａｃ ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ｒｅｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｅｅｎｔｒａｎｔ ｓｐｉｒａｌ ｗａｖｅｓ：ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｙ［Ｊ］．Ａｍ Ｊ Ｐｈｙｓｉｏｌ Ｈｃａｒｔ Ｃｉｒｃ Ｐｈｙｓｉｏｌ，２００４，２８９：１６９２ Ｃｈｉｎｇ－Ｈｓｉｎｇ，Ｙｏｒａｍ Ｒｕｄｙ．Ａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｎｔｒｉｃｕｌａｒ ｃａｒｄｉａｃ ａｃｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ：Ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｒｅｐｏｌａｒｉ【１４］ Ｌｕｏ ｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ，ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｉｒｃ Ｒｅｓ，１９９１，６８：１５０１