表面建模與計算

課程背景

材料表面，直接和外界接觸、交流，甚至直接決定材料的性能，但是表面又猶如小朋友的臉，可能說變就變。所以，表面問題又變得棘手起來。基本現(xiàn)實就是，表面離不開基本成份，即塊體特性，這是基本盤，其次表面又不同于體相，因為有取向、懸掛鍵、表面極性、缺陷等，充滿了各種可能。從這個角度說，表面極有魅力。然而，我們大部分同學，沒有系統(tǒng)學習過表面科學，即使是材料、化學專業(yè)的學生，對表面的學習可能也停留在晶體學水平。

課程介紹

在與大量同學的交流中，了解了這一痛點，針對不少同學希望系統(tǒng)學習表面建模與分析而設(shè)計了這一小課程，選擇從頭來：從表面的規(guī)范表達，升級到表面單胞與矢量，進而對原子二次堆垛、伍茲符號等進行介紹。再進一步，用這些基礎(chǔ)知識來處理復雜表面，如重構(gòu)，并利用案例講解如何分析表面的電子結(jié)構(gòu)。

講解內(nèi)容也會進一步拔高，例如從表面能到烏爾夫方法預(yù)測晶體平衡形狀、利用表面投影態(tài)密度分析懸掛鍵對催化的影響等。

延續(xù)小班課的特點，3節(jié)理論配合3節(jié)操作，每節(jié)操作都有完整案例，包含建模、參數(shù)測試、計算、數(shù)據(jù)分析。

三個操作案例分別是：重構(gòu)表面建模與優(yōu)化、CO在表面的吸附與鍵合類型、LiCoO2電極表面反應(yīng)。老司機倡導浸入式學習，用案例帶動理論和方法學習！(操作軟件：VASP）

11月28日，直播學習，錄播反復觀看，長期答疑，不見不散！

計算老司機孫老師長期從事計算模擬20余年，長期工作于能源與環(huán)境催化第一線，迄今已在Nature、Nature Materials、JACS、Angew.、EES、Nat. Commun.、AM、AEM、AFM等期刊發(fā)表260余篇論文，引用20000余次，單篇最高引用4000余次。孫老師善于將復雜問題通過淺顯易懂的比喻進行深入講解，課堂生動有故事，計算理論分析到位，實際操作解說細膩，其開辟的嗶哩嗶哩站計算老司機和公眾號頗受廣大學員好評。

表面建模與計算課程表

課時

時間

課程內(nèi)容

主要工作

8:00-9:00

表面結(jié)構(gòu)與建模

1.1?表面基礎(chǔ)特征與規(guī)范表達

1.2?表面懸鍵與贗原子飽和

1.3?表面矢量與根號表面

1.4?表面重構(gòu)與建模

1.5?表面建模的依據(jù)與實驗比照

9:00-10:00

表面優(yōu)化與能量分析

2.1?表面優(yōu)化與定量描述

2.2?表面能計算與分解分析

2.3?表面取向與烏爾夫方法

2.4?表面熱力學系統(tǒng)理論

2.5?表面張力計算

10:00-11:00

表面電子結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

3.1?表面的K點與能帶計算

3.2?表面投影態(tài)密度

3.3表面極性與功函數(shù)

3.4?表面局域振動模計算

3.5?表面電子結(jié)構(gòu)案例詳解

11:00-12:00

重構(gòu)表面建模與表面能（實際操作）

4.1?TiO2(001)-(1×4)重構(gòu)

4.2?重構(gòu)與非重構(gòu)表面能

4.3?烏爾夫法預(yù)測TiO2的形貌

4.4?重構(gòu)表面功函數(shù)

19:00-20:00

CO在TiO2表面的吸附（催化應(yīng)用）

5.1?理想TiO2(001)表面態(tài)密度

5.2?重構(gòu)表面態(tài)密度計算與分析

5.3?CO在理想表面吸附電子態(tài)分析

5.4 CO在重構(gòu)表面吸附電子態(tài)分析

5.5?吸附小分子CO的局部振動分析

20:00-21:00

LiCoO2電極的陽離子脫出（電池應(yīng)用）

6.1?LiCoO2塊體基本電子結(jié)構(gòu)

6.2?(001)?表面優(yōu)化與投影態(tài)密度

6.3?Co脫出計算；

6.4?Li脫出計算

6.5?Co脫出后的電子結(jié)構(gòu)分析

表面規(guī)范

表面有一整套的表達方法，基本就在表面胞和表面矢量（如下圖），這是一套語言。理解它，我們才能看懂文獻里各種符號，例如TiO2(001)-(1×4), 又比如Fe(100)-(2×2)R45?等。老司機整理了具體案例，講解伍茲符號、矩陣符號等，并利用這些表示來做表面建模。

表面結(jié)構(gòu)與能量

當我們需要基于實驗進行表面建模與計算時，用什么作為建模的依據(jù)往往是最關(guān)切的。不少文獻采用了XRD數(shù)據(jù)來說明表面特征，這樣可以嗎？本次課堂我用一個形象的例子展示，這樣會非常有風險，因為三個完全不同的表面特征（下圖），但取向一致，結(jié)果計算得到的XRD幾乎一樣！如果XRD不能作為建模依據(jù)，我們又該如何選擇？老司機收集了多個案例，展示STM、TEM能更好的幫助我們確定表面，其中還包括非晶表面如何優(yōu)化獲得。

在此基礎(chǔ)上進一步引入定量描述表面原子的參數(shù)，例如原子位移、層間距偏離、表面吸附誘導等。對于表面相關(guān)的能量環(huán)節(jié)，會介紹能量分解，從而幫助理解吸附誘導表面重構(gòu)、負表面能現(xiàn)象等。

表面電子結(jié)構(gòu)分析?

獲取結(jié)構(gòu)后，如何進一步深入，就不得不借助電子結(jié)構(gòu)分析。首先我們會介紹常用如何獲得表面電子結(jié)構(gòu)的參數(shù)，例如極性、功函數(shù)、表面投影態(tài)密度，然后利用完整案例，把表面屬性和具體應(yīng)用結(jié)合，例如催化、電池等。這中間涉及如何準確、靈活使用電子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析問題。浸入式學習環(huán)節(jié)，則是深入、完整地分析兩個表面作用案例，即氣體/表面作用與電極表面化學反應(yīng)，分別對應(yīng)催化與儲能應(yīng)用

界面建模與計算

課程背景

現(xiàn)實生活中，界面幾乎無處不在：喝杯啤酒，有空氣/啤酒沫/啤酒界面；吃個火鍋，湯料/食材/火鍋，都是界面！更不用說各類新型材料和器件，例如電池，界面顯著影響傳質(zhì)傳導。正因為如此，界面工程頻頻走上頂級刊物。對界面的理解和優(yōu)化，充滿挑戰(zhàn)。首先它是交叉學科，涉及物理、材料、化學等，其次成份往往非常復雜多變，界面處原子鍵合與電子結(jié)構(gòu)往往偏離理想塊體和典型表面。很多時候，你會覺得界面好像中年人，上有老、下有小，身兼數(shù)職、難以平衡，但且承擔諸多性能要求：界面得剛、不拉跨，同時界面得柔，能兼容。因此，沒有原子甚至電子水平的理解，優(yōu)異界面設(shè)計無從談起。

課程介紹

計算模擬無疑是研究界面的理想工具：有實驗難以比擬的靈活性去篩選潛在界面匹配材料，同時又能在電子水平理解界面帶來哪些影響，并澄清構(gòu)效關(guān)系。現(xiàn)實操作上，界面計算起碼要解決三個環(huán)節(jié)：合理建模、準確計算、深入分析。這對于大部分缺乏界面研究經(jīng)驗的朋友，都不容易！

本次界面建模與計算，就是為了解決上面三個問題，用案例講解界面模型如何建立和簡化，同時如何分析界面鍵合、能量與電子結(jié)構(gòu)。3節(jié)理論配合3節(jié)操作，每節(jié)操作都有完整案例，包含建模、參數(shù)測試、計算、數(shù)據(jù)分析。老司機倡導浸入式學習，用案例帶動理論和方法學習！(操作軟件：VASP）

11月29日，直播學習，錄播反復觀看，長期答疑，不見不散！

計算老司機孫老師長期從事計算模擬20余年，長期工作于能源與環(huán)境催化第一線，迄今已在Nature、Nature Materials、JACS、Angew.、EES、Nat. Commun.、AM、AEM、AFM等期刊發(fā)表260余篇論文，引用20000余次，單篇最高引用4000余次。孫老師善于將復雜問題通過淺顯易懂的比喻進行深入講解，課堂生動有故事，計算理論分析到位，實際操作解說細膩，其開辟的嗶哩嗶哩站計算老司機和公眾號頗受廣大學員好評。

界面建模與計算

課時

時間

課程內(nèi)容

主要工作

8:00-9:00

界面結(jié)構(gòu)與建模

1.1?界面基礎(chǔ)與典型界面模型

1.2?平面異質(zhì)結(jié)與超晶格

1.3?跨維結(jié)構(gòu) （含團簇與柔性鏈）

1.4?包覆、多相與半周期界面

1.5?非晶/晶體異質(zhì)結(jié)

9:00-10:00

界面優(yōu)化與能量分析

2.1?界面參數(shù)、層間距與滑移掃描

2.2?界面熱力學理論

2.3?吸附能、界面能與變形能

2.4?界面應(yīng)力

2.5?柔性界面弛豫與液固穿透界面

10:00-11:00

界面電子結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

3.1?界面K點設(shè)置與能帶計算

3.2?界面投影態(tài)密度

3.3界面靜電勢與內(nèi)建電場

3.4界面帶邊偏移計算

3.5?界面反應(yīng)計算

11:00-12:00

界面建模與界面能

（實際操作）

4.1 CNT-Cu附著建模與優(yōu)化

4.2 CNT-Cu附著力計算

4.3 CNT/Cu內(nèi)嵌建模與優(yōu)化

4.4?內(nèi)嵌界面能與電子結(jié)構(gòu)分析

19:00-20:00

CO在Ni/Al2O3界面的吸附

（界面催化應(yīng)用）

5.1?Ni團簇和Al2O3態(tài)密度

5.2 Ni/Al2O3投影態(tài)密度計算分析

5.3 CO在Ni表面吸附電子態(tài)分析

5.4 CO在Ni/Al2O3界面吸附

5.5?界面應(yīng)力分析

20:00-21:00

AlP/GaP界面能帶彎曲（界面電子結(jié)構(gòu)分析）

6.1 AlP/GaP三種界面建模

6.2 AlP/GaP STJ界面優(yōu)化

6.3?界面能帶投影分析

6.4?界面靜電勢分析

6.5?界面帶邊偏離計算

界面建模

模型直接決定了一個計算的品質(zhì)，黃金標準就是：模型是否反映了真實體系的核心特征？是否在操作上具有可行性？然而面對真實樣品，尤其是亂糟糟的多相、變形界面，我們未必能快速抓住界面的關(guān)鍵特征。比如同樣是MgH2復合體系實現(xiàn)低溫放氫的研究，老司機在不同論文中采用了不同模型，有界面、有表面、有團簇和團簇孔填充模型（如下圖），這背后取舍之道就在于如何抓體系核心特征。這是一種本領(lǐng)，可以通過訓練獲得。

老司機基于界面典型特征，從異質(zhì)結(jié)開頭，通過系統(tǒng)講解典型案例，逐漸深入到跨維結(jié)構(gòu)、包覆、超晶格以及表面重構(gòu)等，凝練出界面建模最需要注意的環(huán)節(jié)。我們會把這些概念和方法融入到相應(yīng)的練習案例，進一步定量計算界面能、界面變形分析以及電子結(jié)構(gòu)。

界面結(jié)構(gòu)與能量

有了模型，就需要著手獲得可靠的結(jié)構(gòu)，這就涉及界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能量計算與分析。簡單地說，兩種成份AB放到一起，如何取向、鍵合以及優(yōu)化取舍，是能直接影響到計算質(zhì)量的。比如碳納米管增強銅基復合材料（如下圖），這是典型界面問題，如何在模型中放置和優(yōu)化納米管，就有技巧了。首先是出發(fā)點不能錯，例如現(xiàn)在還能看到部分文獻采用表面描述這個界面問題，這也有朋友考慮多層納米管導致模型過于龐大而無法展開，這些都涉及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。

老司機精心挑選了多個案例，從最基本的界面參數(shù)優(yōu)化到取向掃描，從界面能到更豐富的界面熱力學，并進一步拓展到半周期界面、多相催化界面、電池界面反應(yīng)、柔性鏈界面問題。實際操作案例，催化和電池應(yīng)用各有完整案例，從建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化到能量與電子結(jié)構(gòu)。

界面電子結(jié)構(gòu)

界面改變的，絕非原子鍵合那么簡單，電子結(jié)構(gòu)改變才是大部分物理化學性質(zhì)變化的根本原因。例如我們在光催化中頻繁看到各類異質(zhì)結(jié)設(shè)計用以提高太陽能吸收和光催化效率（如下圖），其背后的物理機制就是界面兩側(cè)半導體電子能級存在差異，這就導致界面可能出現(xiàn)偶極矩和內(nèi)建電場，從而使得光生電子轉(zhuǎn)移具有內(nèi)在驅(qū)動。操作上，如何計算和理解界面接觸導致的電子結(jié)構(gòu)變化，甚至定量計算帶邊偏離(band offset), 是本節(jié)課需要解決的。

選擇經(jīng)典案例，首先從基本電子結(jié)構(gòu)出發(fā)，講解投影能帶和態(tài)密度，然后轉(zhuǎn)入界面直接相關(guān)的物理量，比如極性、靜電勢、內(nèi)建電場計算等，給出定量計算方法，并在實際操作案例得到進一步強化。

培訓相關(guān)

01 培訓時間

11月28日-11月29日，共2天

02?培訓形式

課程+上機，線上培訓，提供紙質(zhì)版教材，課程回放

03 培訓費用

1299元/門，包含教材費、培訓費、機時費

04?課程地點

騰訊課堂線上直播

5.課程優(yōu)勢

永久答疑

答疑群長期答疑

紙質(zhì)資料

提供紙質(zhì)版講義資料，一次性掌握

全程助教

專業(yè)工程師技術(shù)人員將在上機期間全程為學員答疑解惑

課程回放

課程視頻無限次回放、答疑社群實時答疑；

課程報名福利

1)?早鳥立享：前20名報名者，獲得計算100元優(yōu)惠券

2)?團報立享：3人及以上團報，獲得計算100元優(yōu)惠券

3) 捆綁特惠：往期孫成華精品小班培訓任選兩門小班課程同時報名，立減598元，直享最低價2000元/人

4)老學員立享：凡在唯理計算購買課程老學員，獲得計算200元優(yōu)惠券

*注：其中1）、2）3）、4）不同享；

掃碼添加小崔同學15964531189（微信同），備注：表面/界面建模與計算