(河北理工大學研究生學院，河北唐山 063009)
摘要：本文針對近些年計算機模擬技術在發光材料中的重要作用, 介紹了它的研究範疇和技術型別, 及其在研究材料的合成和製備、效能測試和分析中的應用。
關鍵字：發光材料，計算機模擬，結構與效能
隨著現代高新技術的發展, 對材料效能的要求已經越來越高, 因此，對材料科學本身也提出了更高的要求。隨著對材料微觀結構與巨集觀效能關係了解的日益深入，人們已經可以從理論上預言具有特定結構與功能的材料體系，從而設計出更加符合要求的新型材料。在計算機技術迅速發展的今天，計算機模擬已經成為解決材料科學中實際問題的重要組成部分，作為材料科學重要組成部分的發光材料自然也越來越離不開計算機模擬技術。
1 計算機模擬技術的優勢
採用各種新穎演算法的模擬技術，並結合運算功能強大的計算機，人們能夠做到前所未有的細緻和精確程度對物質內部狀況進行研究。這導致計算機模擬在材料科學中的應用越來越廣泛，20世紀80年代後由此產生了一門新的材料研究分支——計算材料科學(computational materials science)，它主要基於數值模擬方法以及數學方法的計算與求解，並結合材料的其他特性，用計算機實現對材料的組分、效能以及工藝性質的模擬和**［１］，使材料科學從半經驗的定性描述進入定量**控制的新階段。採用模擬技術進行材料研究的優勢在於它不但能夠模擬各類實驗過程，了解材料的內部微觀性質及其巨集觀力學行為，並且在沒有實際備製出這些新材料前就能**它們的效能，為設計出優異效能的新型結構材料提供強有力的理論指導。
材料科學研究中的模擬「實驗」比實物實驗更高效、經濟、靈活，並且在實驗很困難或不能進行的場合仍可進行模擬「實驗」，特別是在對微觀狀態與過程的了解方面，模擬「實驗」更有其獨特性甚至有不可替代的作用。
2 材料研究的主要模擬技術
2. 1 第一原理模擬技術
材料的電子結構及相關物性與巨集觀效能密切相關。因此，研究材料的電子結構及相關物性，對從微觀角度了解材料巨集觀形變與斷裂力學行為的本質機制具有重要價值，也能為探索改善材料力學效能的可能途徑提供指導。基於量子力學第一原理的區域性密度函式(ldf) 理論上的各種演算法(lmto，flapw，scf- xa-sw，lkkr等) 已能夠計算材料的電子結構及一些基本物理效能，包括晶界—非晶—自由表面與斷紋面—雜質—缺陷等各類原子組態的電子結構、相結構穩定性、點和切變面缺陷能量、理想解能量、原子鍵強及熱力學函式等，這使得在實驗和理論之間的比較不再侷限於依靠經驗或半經驗參量勢函式的計算模式。
2. 2 原子模擬技術
按照獲得原子位形或微觀狀態的方法，對於完整和非完整晶體的結構、動力學和熱力學性質，有幾種可行的模擬方法，如分子動力學方法(md)，蒙特卡羅方法(mc) , 最小能量法(em )等。分子動力學的目標是研究體系中與時間和溫度有關的性質而不只是靜力學模擬中研究的構型方面。分子動力學方法是求解運動方程(如牛頓方程、哈密頓方程或拉格朗日方程)，通過分析系統中各粒子的受力情況，用經典或量子的方法求解系統中各粒子在某時刻的位置和速度，來確定粒子的運動狀態。
蒙特卡羅方法是根據待求問題的變化規律，人為地構造出乙個合適的概率模型，依照該模型進行大量的統計試驗，使它的某些統計參量正好是待求問題的解。最小能量法是利用計算機計算晶體的能量，通過調整原子的位置、調整原子間的化學鍵長和鍵角得到最可能的結構，使其系統能量下降，達到最小，所計算的能量值與實驗結果相比較，可達到相當精確的程度。
2. 3 連續介質模型的模擬方法
為處理巨集觀問題，常用的方法主要包括傳統的有限差分法、有限元法、邊界元法等。例如，對材料研究中的傳熱溫度場、傳質擴散等問題都可借助這些方法進行求解。此外，對於某些連續的材料微觀物理演變過程，也可以在對空間和時間的離散化處理的基礎上，採用一定的演算法對其進行資料模擬，如對材料的顯微組織轉變過程、晶粒或第二相粒子長大過程等現象的數值模擬。
2. 4 綜合化模擬方法
綜合模擬技術是近年來興起並蓬勃發展的一類新技術。綜合化的含義主要體現在研究方法和研究物件的空間尺度兩個方面，前者除發展全新技術外，還包括將原有的基於互動作用勢函式的原子模擬技術、從第一原理出發的各種計算技術、連續介質模型、離散化數值計算這三類技術相結合的模擬技術；後者或是直接研究介於原子尺度和巨集觀尺度之間中間尺度(1～100lm) 的材料結構與效能，或是將不同尺度的材料行為聯絡起來作為統一體加以研究，特別是如何將不同層次的研究聯絡起來, 已成為材料模擬領域最富挑戰性的重點課題。
2. 5 人工智慧模擬技術
在材料研究和應用的不少領域，很大程度上還依靠經驗解決問題，或者某些問題即使存在理論上的演算法解，但由於解法過於複雜，使它們難以實際應用。針對上述現象，屬於人工智慧範圍下的各種計算機模擬技術為解決這些涉及材料研究與應用中特有的問題提供了有效工具，包括聚類模擬識別技術、專家系統、人工神經網路技術等，它們已經逐漸被應用於材料的組織成份設計、材料製備和加工過程的控制、材料物理與力學效能的**等各個方面。
2. 6 優化設計技術
這種設計的基本原理是：從已有的大量資料、經驗事實出發，利用現有的各種不同結構層次的數學模型，如合金的成分、組織、結構與效能關係的數學模型及相關資料理論，如固體與分子經驗電子理論，量子理論等，通過計算機對比、推理思維來完成優選新合金、新材料的設計過程。優化設計實質上就是數學上的最優化問題，任何乙個需要優化設計的實際材料問題都可以用最優化技術來解決。
3 計算機模擬在發光材料的應用
3. 1 發光材料的合成和製備與計算機模擬
無論是對現有材料的合成與製備過程的改進，還是對新材料合成與製備的研究，仍然在很大程度上需要參照現有同類材料的合成與製備經驗。這就使得各類材料的資料庫，特別是各種材料的化學和物理化學性質的資料庫顯得非常重要。例如，一種新長餘輝發光材料的合成，如果能得到有關方面的資訊，就可以大大減少工作中的盲目性，減少工作量。
這時，計算機及其相關技術就成為必不可少的工具，依據材料科學的知識系統，將大量豐富的實驗與模擬計算資料貯存起來以形成綜合資料庫。目前, 各國的材料研機構已經建立了許多不同型別的資料庫，如合金系相圖，晶體結構引數和物理性質、相和組織的力學效能圖等。材料設計是研究材料的合成和製備問題的最終目標之一。
許多化學家、物理學家和材料學家在這一方向上不懈地努力著。他們將材料方面的大量資料和經驗積累起來，在資料庫的基礎上形成了大大小小的專家系統，一些工作已經取得了很好的結果。材料資料庫中儲存的是具體有關材料的資料值，它只能進行查詢而不能推理；材料知識庫儲存的是規則，當從資料庫中查詢不到相應的效能值時，知識庫卻能通過推理機構以一定的可信度給出效能的估算值, 從而實現效能**功能。
同時，也可用知識庫進行組分和工藝設計，在整個知識庫中採用了近年來在國際上興起的資料庫知識發現技術kdd。材料設計的專家系統是今後發展的重要方向之一。
3. 2 發光材料的組成和結構與計算機模擬
發光材料的組成和結構發是光材料研究的主要組成部分。現今材料的組成和結構表徵研究主要採用各種大型分析裝置進行，例如掃瞄電鏡(sem )、透射電鏡(tem )、分析電鏡(aem )、掃瞄探針顯微鏡(spm ) 等；各種譜儀如可見光譜、紅外光譜、拉曼光譜、原子吸收光譜、等離子體發射光譜、螢光光譜等；各種衍射儀如x 射線衍射、電子衍射、中子衍射等。這些大型分析裝置幾乎無一例外地是在計算機的控制之下完成分析工作的。
這些分析裝置提供有不同的分析模擬軟體以及相應的資料庫，而且這些分析模擬軟體的功能非常強大, 大大減輕了資料處理的工作量，可以給出能夠直接用於發表的各種圖表。如，史國華[4]在對矽系奈米復合薄膜的結構以及光電特性、光致發光等效能進行研究時就應用了近十種研究方法；李丹[5]也運用了各種光譜對摻雜奈米超微粒的發光性質急性了細緻的研究。
3. 3 發光材料的效能測試和分析與計算機模擬
發光材料的研究自然離不開效能測試和分析。材料效能的測定大多使用專門的測試裝置和儀表。有時為了測定某些較為特殊的效能，也常用一些通用的測試裝置和儀表組成比較複雜的測試系統。
在組建的測試系統中，如果使用計算機來控制整個系統，使其協調執行，進行資料採集和資料處理，通常都能使整個系統的功能得到飛躍性的增強。計算機化的材料效能測試系統( cat 系統) 是提高材料研究水平的重要手段。由於計算機靈活的程式設計方式，強大的資料處理能力和很高的運算速度，使得 cat 系統可以實現手動方式不能完成的許多測試工作, 提高了材料試驗研究的水平和測試的精度。
例如,張保洲、劉巨集亮等［6］設計的測量長餘輝螢光粉發光特性的裝置，其測量全過程：開啟快門—激發—關閉快門—測量樣品亮度變化過程—資料處理顯示均可在計算機控制下方便、準確、連貫地完成。
3. 4 發光材料的材料加工的自動控制
對發光材料進行加工是工業上製造和處理發光材料的重要手段.。材料加工主要包括鑄造、鍛造、壓力加工、熱處理及粉末冶金等。所有這些均可利用計算機對其進行自動控制。
材料加工的基本原理是: 根據材料加工的尺寸或效能要求向計算機輸入相關資料，將得到的資訊經過轉換成為數碼訊號輸入計算機，計算機經過自己的程式處理，最後將處理的數碼訊號經過轉換器變成模擬資訊，進而將模擬資訊傳輸到相應的執行裝置以達到自動控制效果。
4 結束語
綜上所述，計算機模擬技術在發光材料研究領域的應用越來越廣泛，它已經成為發光材料研
究人員的乙個強有力的工具。可以預見，隨著更多的科學家自覺地利用計算機來提高其研究工作水平，必將指導開發設計出效能更優異的新型材料。
參考文獻：
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［3］黃美純,張建立,李惠萍,朱梓忠．si基光發射材料的探索．發光學報．2002，23（5）：419－423．
［4］史國華．矽系奈米復合薄膜的製備及其微結構光電效能研究（d）．浙江大學．2006．
［5］李丹．摻雜奈米超微粒的發光性質．中國科學院（d）．2000．
［6］張保洲，劉巨集亮，王術軍，李子英，蔣靜芬．長餘輝螢光粉發光特性的測試及實用裝置．光學學報．2003，23（10）：1277－1280．
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