随着物理学、材料学、磁学和计算机技术的发展，物理学关注对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构在原子层次上的设计已成为材料研究的主要内容，需要对功能材料研究到电子层次。中心结合教师的科研方向和师生的科研成果，组建研发团队和技术团队，在材料科学仿真软件平台（Material-Studio、MAPS、Gaussian-View、MedeA）以及微磁学仿真软件平台（LLG Simulator、OOMMF）进行二次开发，迅速将科研成果转化为能面向学生开设的实验内容，搭建起了微结构材料设计与物性仿真模块。本模块平台下设两个子模块，开设57个虚拟仿真实验项目：微结构材料设计与物性仿真子模块（39个实验项目）、微磁学仿真子模块（18个实验项目）。

模块项目主要面向物理学、材料物理、金属材料工程等专业的高年级学生和研究生开设，项目内容主要为巩固物理学、材料学、磁学等基本知识，加深学生对抽象理论模型的理解，掌握低维纳米材料设计的基本步骤和方法，熟悉微结构材料物理性质的仿真计算，为学生提供基本的科研训练和研究手段，提升科研素养。该模块的部分实验项目已在《近代物理实验》课程中固定开设，其余项目在本科毕业论文、本科生科技创新项目、科技活动比赛活动中等使用。

一、微结构材料设计与物性仿真”子模块（39个项目）

1. 低维纳米结构设计 2. 表面和层状结构建模 3. 三维晶体结构建模

4. 高聚物与非晶材料建模 5. 团簇分子基态构型搜索 6. 介观体系的结构优化

7. 材料的第一性原理方法 8. 材料的分子动力学方法 9. 材料的蒙特卡洛模拟

9. 气相和溶液中的反应 11. 极端条件下气体分子 12. 简单块体的磁性计算

13. 晶体结构的XRD分析 14. 晶体材料的能带计算 15. 超硬材料的硬度计算

16. 超硬材料的力学性能 17. 高压下晶体材料的相变机制18. 材料的金属性与半金属性

19. 石墨烯与氮化硼烯 20. 碳纳米管与GaN纳米管 21. 内嵌富勒烯研究

22. 钙钛矿材料的电磁性质 23. KNbO3材料的光学性质 24. 半导体材料的光催化

25. 低维纳米材料储氢 26. 分子表面吸附 27. STM图像模拟

28. 甲苯分子的电子结构计算 29. 超原子模型 30. 笼状结构材料设计

31. 过渡态搜索 32. 过渡金属团簇的磁性 33. 自然电荷布居数分析

34. 电荷差分及自旋密度 35. 电子亲和势以及电离势 36. 前线分子轨道分析

37. 拉曼光谱 38. 分子的电偶极矩 39. 分子振动谱

(1) 微结构材料设计过程

应用Windows可视化界面的四个三维建模软件—Material Studio、MAPS、Gaussian view、MedeA，学生能够搭建0维→3维各层次的结构：零维（分子、团簇、复杂纳米结构）、一维（纳米线）、二维（表面、界面、层状结构、异质结）、三维（金属晶体、非金属、半导体、陶瓷、分子筛等及高分子聚合物等所有结构模型），设计出的结构模型可以用图、文、三维界面、操作影像4 种功能兼备的实验教学工具进行展示。该子模块的操作界面可以调整、观察、及分析计算前后的结构模型，并提供相应的构型分析工具（键长、键角、体积、对称性等）。此外，该模块支持多种输入（包括利用已有的晶体结构数据库和最新实验数据）、输出格式（Office系列文档以及各种国际通用科学软件文档格式），并可将物理学过程的动态轨迹文件输出成avi, wmv, mpg, mp4, swf等各种通用格式的文件，从而将复杂抽象的物理学过程和微观结构模型等实验原理简化为直观可视的动画或图片形式。学生可以按照提示将不能直观显示的实验过程模拟出来，能使学生得到更多的模拟、重复的操作机会，有助于真实实验中的实际操作，提高解决实际问题的能力，是一种很好的辅助教学方式。

表1 0维→3维微结构材料的结构设计实验项目

(2) 微结构材料物性计算过程

材料的性能在很大程度上取决于材料的微结构，在材料性能模拟时需要根据材料的尺寸、组份以及关注性质等因素选择适当方法进行模拟。本模块性质仿真参考以下两种分类方法：一是按理论模型和性质分类，二是按材料计算的特征空间尺寸分类。例如，对结构材料来说，影响其力学性能的结构尺度在微米以上，而对于电、光、磁等功能材料来说可能要小到纳米，甚至是电子结构，研究对象的特征空间尺度从埃到米。

性质计算需要考虑所要模拟材料体系（纳观、微观、介观、宏观尺度）和模拟性质的基础上，按照基本的操作流程、软件模块的基本操作、结果分析和常见错误的解决办法，并结合视频指导，通过虚拟仿真实验进行互作操作，可以在较短时间内产生与真实模拟一致的结果。每个学生通过操作仿真实验子模块能够充分理解设计材料的基本流程和方法原理，通过设置不同的参数，得到不同的结果，锻炼学生在不同参数下处理不同结果的能力。该模块下的三个Material Studio、MAPS、MedeA计算软件包提供三种模拟方法：分子动力学方法模块、蒙特卡洛方法模块、第一性原理计算模块。采用第一性原理软件包（Material Studio主要包含有Castep和DMol两个程序包；MedeA主要包含有VASP程序包; MAPS主要包含有：NWchem、ABINIT、MNDO等程序包）可对小分子、纳米团簇、石墨烯、纳米管等低维材料进行最稳定结构搜索，执行光、电、磁性质的模拟计算；也可对简单晶体材料或小体系材料也可以利用第一性原理方法进行模拟；采用分子动力学方法模块或蒙特卡洛方法软件包（Material Studio主要包含有具有多种力场的VAMP、Forcite、Gulp、Discovery四个程序包；MAPS主要包含有：QMPOT、LAMMPS等程序包）可以对较为复杂或较大体系材料进行稳定结构搜索，执行液相结构、晶体结构、晶格能、弹性、力学和热力学性质计算以及相关的催化吸附模拟。

表2 微结构材料物性计算物性仿真分析项目

(3) 微结构材料物性仿真分析过程

基于设计材料性质计算的基础上，性质分析仿真部分（Material Studio和MAPS的核心模块Visualizer）采用了大家非常熟悉Microsoft 标准用户界面, 允许通过各种控制面板直接对模拟结果进行分析（包括Ｘ射线衍射分析等仪器分析方法），可以显示结构参数（键长、键角、对称性、对称轴、原子坐标、晶胞参数、晶相结构、多面体表面积、体积等）、电子结构解析（原子磁矩、配位数、Mulliken布局数、轨道分布及轨道形貌图、能带结构、电子态密度、电荷密度分布、费米面、电荷密度，差分电荷密度等）、其它性质（极化率张量 力学性质计算 弹性力常数张量，体模量，剪切模量，杨氏模量，泊松比 热力学性质计算 声子态密度、色散谱、熵，焓，自由能，零点能，德拜温度，等容热容随温度的变化曲线、红外光谱，拉曼光谱）等非常丰富的结果，这些结果可与结构模型相结合进行数据的二维、三维显示，可以给出数据的图表，可以对特定的结果进行动画演示或给出精美的矢量图。

二、“微磁学仿真”子模块（18个项目）

1. 纳米颗粒磁畴结构的形成 2. 自发磁化形成过程的能量变化过程

3. 饱和磁化单晶体的磁化反转过程 4. 棒状磁体内的磁矩分布

5. 纳米线磁畴结构和磁化曲线的模拟与仿真 6. 3D条纹畴结构的磁性

7. 各向同性无限大样品的磁矩自由进动 8. 均匀小椭球的磁矩自由进动

9. 磁性纳米线的磁谱 10. 磁性反点阵列的磁化翻转机制

11. 有缺口铁磁纳米环内的磁矩分布 12. 纳米磁性材料高频特性的微磁学模拟

13. 铁磁纳米线的自然共振 14. 非椭球粒子中局部退磁张量

15. 磁性渐变磁体的磁化特性分析 16. 软磁-硬磁双层薄膜的交换弹性

17.自旋阀的磁电阻效应 18. 自旋隧道结的磁电阻效应

信息产业的诞生和快速发展，离不开磁存储技术，至今硬盘仍然占据着计算机外存储器的主流地位，对磁现象进行认识并加以应用是物理学的重要领域。但是，由于物质的自发磁化源于电子间的交换作用，完全是量子效应，认识这类现象必须深入微观世界。中心结合凝聚态物理学科的虚拟仿真科研优势，利用具有三维图形处理功能的LLG Simulator和OOMMF两款先进微磁学虚拟仿真软件，组织相关科研人员和技术人员在这两个软件平台下进行二次开发，构建了“微磁学仿真”实验子模块，开设18个与磁学相关的虚拟仿真实验项目。这些项目不指定具体研究材料，只提供实验平台和实验目标，仿真平台的文本代码可编程修改，学生在教师的指导下设计实验方案，选择合适的仿真方法进行组合实验，强化综合设计与科研探究能力培养。

LLG Simulator是一款国际商业软件，中心购入软件，开发了铁磁薄膜，磁性多层膜，磁性纳米粒子和纳米环的磁畴结构设计和仿真，并将其应用到本科毕业论文设计及创新研究课题中。该软件不但能表征三维磁性材料和二维磁性薄膜的静态磁畴结构，还能求解磁化强度的动力学演化过程，软件能仿真的磁学性质如下：①计算磁性粒子（微米或纳米）和磁性薄膜的平衡磁化强度分布，进而计算出矫顽力，反转时间，层间交换耦合强度，涡旋畴及畴壁厚度等性质。②虚拟磁性结构和磁性器件对磁场的响应：如磁性随机存储器（磁内存），自旋阀，各向异性磁电阻磁头，巨磁电阻磁头，磁性传感器等。③仿真各种磁图像：如洛伦兹显微镜，电子全息术，带极化分析的扫描电镜，及磁力显微镜。对于磁力显微镜，可以按照类似处理磁性样品的方法，描述针尖的驰豫过程。

OOMMF由美国国家标准计量院开发，是一种便携可扩展的微磁学仿真工具，源代码由C++和Tcl/Tk编写，能够在Unix和Windows平台运行。该软件可对任意形状磁体的磁滞回线、磁化曲线、磁畴结构、BH曲线等进行仿真，不但可以得到磁性材料内部的磁矩，畴壁的分布，还可以得到它们的演化过程，比如磁畴的收缩，扩张，传播，移动等，从而反映出磁化反磁化过程。OOMMF仿真可深入低维磁性材料体系的静态和动态磁性的研究，如纳米(反)点，纳米线，纳米薄膜，磁隧道结，磁传感器，逻辑门，交换偏置等。所要模拟的问题用文本描述（只需以mif为后缀名），可以调节材料参数、几何形状、初始磁矩分布和外加场，通过适当的网格剖分，得到材料的磁滞回线和对应某外场下的磁矩分布。利用输出的结果，可以制成图表，立体矢量分布，磁矩进动过程的动画等等。

表3 微磁学仿真实验项目

微磁学虚拟仿真实验模块填补了真实实验在磁学方面的空白，其优势在于：①认识问题的角度深入微观，又不局限于微观。研究对象的尺寸可控，分析的精度可调，过程的片断可选，材料的表面和内部都“可见”，既可以用于教学，也可以进行科研。②程序都需自己动手开发，问题的针对性强。学习知识和探索真相的双重动力，将教学与科研紧紧地联系在一起，学生参与科学研究工作容易入门，教师在教学中积累数据，在教学中就可以完成科研项目的理论分析任务，强化了科研为教学服务，教学促进科研发展的良性循环。③实验教学内容得到延伸，强化了对量子力学观点的理解。量子力学的抽象程度令师生都大为头疼，而真实实验的资源非常稀缺，又只能通过宏观现象进行推演才能与量子理论对应，教学效果有限。微磁学虚拟仿真实验模块提供了专业的大量自旋相关项目，且超越微观和宏观的跨度限制，真正实现了量子力学的“实验”教学，丰富了实验内容。