在实际科学研究中，分子模拟已经成为了一种从微观尺度探究物质局域结构与计算宏观物性的常用手段。在进行分子模拟之前，我们首先要把相应的实际物理模型转化为分子模拟可用的结构文件，这个过程一般我们称之为“建模”。
无论你是做光电催化、锂电池、储氢或其他材料领域，建模是理论计算的前提，搭建一个合理的模型不仅可以节省计算量，还能节省科研成本。
本次系列课程专为“零基础”学员设计，通过模型搭建、性质计算、性能预测及相关领域性能模拟层层递进进行讲解，带您快速入门分子模拟和机器学习。
MatCloud+是国内首家材料基因组高通量材料智能设计平台，它其中的一个核心价值，在于将对材料计算模拟的操作进行了重新定义，通过自动流程的方式，实现高通量材料计算和筛选。初学者只需通过简单的参数设置和点击鼠标就能获得想要的计算数据和图表结果。初学者只需通过简单的参数设置和点点鼠标就能获得想要的理论模型，完成“高通量”建模。
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本部分内容将按照J. Phys. Chem. C , 2011, 115, 19394–19404.文献中2 x 2 x 2锐钛矿型TiO2超胞结构为例，为大家讲解TiO2晶体结构扩胞操作
研究背景：将 TiO2 光催化材料的吸收特性扩展到太阳光谱的可见部分对于能源和清洁应用具有重要意义。本文使用密度泛函理论（DFT）对N掺杂锐钛矿TiO2材料进行了系统研究。结果表明具有2-4% N 杂质浓度和1-2 atom % O 空位浓度的材料是NH3、N2H4 和 (N2 + H2) 化学的最佳催化剂。在分子模拟角度，想要设计最佳N掺杂的催化剂结构，则需要对掺杂锐钛矿TiO2进行超胞搭建。
图1 单包TiO2和2 x 2 x 2 TiO2超胞结构
图2 单包TiO2和√2 x √2 x 1 TiO2超胞结构
Reference：[1] J. Phys. Chem. C 2011, 115, 19394–19404.
2、MatCloud+随机取代功能实操
本部分内容将将按照Optik, 2018, 156: 297-302.文献中Y掺杂ZnO掺杂结构为例，为大家讲解随机取代建模功能。
研究背景：六方氧化锌 (ZnO) 是 n 型半导体，与 GaN 等其他光电材料相比，具有优异的光电性能、高化学稳定性和低静态介电常数等优点，4f稀土元素具有独特的电子结构、丰富的分离能级和长寿命的激发态等诸多优良特性，可用其进行ZnO晶体掺杂。关于Y元素掺杂ZnO纳米结构的物理化学性质的实验研究较多，但在理论计算方面的研究较少。本文利用密度泛函理论(DFT)对不同浓度Y掺杂ZnO的结构、能带结构、总态和部分态密度进行了综合计算。
Reference：[2] Optik, 2018, 156: 297-302.
本部分内容将以Inorg. Chem. 2019, 58, 4134−4140.文献中CsGeI2Br(001)表面结构为例，为大家讲解对于CsGeI2Br晶体结构，搭建对称表面、非对称表面的表面结构。
图4 4层CsGeI2Br对称表面、非对称表面的表面结构
Reference：[3] Inorg. Chem. 2019, 58, 4134−4140.
本部分内容将以Nanotechnology 29 (2018) 165402 (9pp).文献中MoN基底上吸附Li原子为例，为大家讲解吸附原子建模。
研究背景：从石墨烯开始，二维(2D)材料受到了相当多的关注。其中由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物形成的层状二维晶体MXene可为离子的运动提供了更多的通道，大幅提高了离子运动的速度，成为一种理想的负极材料。近年来，实验中已成功地制备出二维MoN晶体材料，本文采用第一性原理计算研究了MoN作为负极材料的本征性质：
Reference：[4] Nanotechnology 29 (2018) 165402 (9pp).
本部分内容将以Electrochimica Acta, 2014, 141: 25-32.文献中TiN(2 0 0)基底上吸附OH分子为例，为大家讲解吸附分子建模。
研究背景：ORR 被认为发生在三个不同的连续步骤中，即氧气吸附、氢氧化物生产和水解吸。这些步骤可通过第一性原理在 TiN(111) 和 TiN(200) 上的不同吸附位点上进行模拟。比较吸附能证明，无论吸附位点如何，TiN(111) 上都会发生强烈的氧解离吸附。分析了TiN(111)和TiN(200)活性位点上相对OH吸附和解吸的损失以进行ORR，并推断出适合于容易产水和解吸的表面。
图6 TiN(2 0 0)基底上吸附OH分子的吸附结构
Reference：[5] Electrochimica Acta, 2014, 141: 25-32.
本部分内容将以J. Phys. Chem. C 2013, 117, 10536−10544.文献中ZnO-石墨烯纳米复合材料为例，为大家讲解界面模型建模。
研究背景：N2O的分解很大程度上取决于催化剂成分的种类和表面取向及其表面结构。石墨烯具有独特的电子特性，且具有大的表面积与体积比，成为催化的候选材料，并且界面结构对石墨烯复合材料性能产生一定的影响。本文通过采用第一性原理计算，对ZnO-Graphene纳米复合材料上的 N2O 分解进行了机理研究。
Reference：[6] J. Phys. Chem. C 2013, 117, 10536−10544.
本部分内容将以Nature Energy, 2020, 5(4): 291-298.文献中电解液溶液结构为例，为大家讲解分子结构枚举建模。
研究背景：电池的电压与电池的安全性主要受到电解质材料的限制。当前锂离子电池中的电解质溶剂，依然使用的是1990年代初锂电池刚刚商业化时的溶剂(如图1中常规溶剂部分所示)。近30年来，电解质的溶剂一直没有改变。所以设计合理的新型溶剂可以有效地提高电池的安全性能。
Reference：[7] Nature Energy, 2020, 5(4): 291-298.
MatCloud+全职技术资深专家，拥有六年以上分子模拟软件使用经验，熟悉晶体结构的第一性原理研究、高分子的分子动力学模拟，从事过晶体结构的电子、光学、力学、热力学等性能研究、二维材料的吸附、扩散性质计算。
课程主题：晶体括胞、随机取代、表面结构、吸附模型、界面模型、分子结构枚举
