中科大-Materials-Studio-培訓(xùn)教程-5(包你學(xué)會(huì)!)

1、中科大-Materials-Studio-培訓(xùn)教程-5(包你學(xué)會(huì)!)CASTAPCASTAP CASTAPCASTAP是特別為固體材料學(xué)而設(shè)計(jì)的一個(gè)現(xiàn)代的量子力學(xué)基本程序，是特別為固體材料學(xué)而設(shè)計(jì)的一個(gè)現(xiàn)代的量子力學(xué)基本程序，其使用了密度泛函其使用了密度泛函(DFT(DFT）平面波贗勢(shì)方法，進(jìn)行第一性原理量子力學(xué)計(jì)）平面波贗勢(shì)方法，進(jìn)行第一性原理量子力學(xué)計(jì)算，以探索如半導(dǎo)體，陶瓷，金屬，礦物和沸石等材料的晶體和表面算，以探索如半導(dǎo)體，陶瓷，金屬，礦物和沸石等材料的晶體和表面性質(zhì)。性質(zhì)。 典型的應(yīng)用包括表面化學(xué)，鍵結(jié)構(gòu)，態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)等研究，典型的應(yīng)用包括表面化學(xué)，鍵結(jié)構(gòu)，態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)等研

2、究， CASTAPCASTAP也也可用于研究體系的電荷密度和波函數(shù)的可用于研究體系的電荷密度和波函數(shù)的3D3D形式。此外，形式。此外， CASTAPCASTAP可用于有效可用于有效研究點(diǎn)缺陷（空位，間隙和置換雜質(zhì)）和擴(kuò)展缺陷（如晶界和位錯(cuò)）的性質(zhì)研究點(diǎn)缺陷（空位，間隙和置換雜質(zhì)）和擴(kuò)展缺陷（如晶界和位錯(cuò)）的性質(zhì)。 Material StudioMaterial Studio使用組件對(duì)話框中的使用組件對(duì)話框中的CASTAPCASTAP選項(xiàng)允許準(zhǔn)備，啟動(dòng)選項(xiàng)允許準(zhǔn)備，啟動(dòng)，分析和監(jiān)測(cè)，分析和監(jiān)測(cè)CASTAPCASTAP服役工作。服役工作。計(jì)算：允許選擇計(jì)算選項(xiàng)（如基集，交換關(guān)聯(lián)勢(shì)和收斂判據(jù)），作業(yè)

3、控制和計(jì)算：允許選擇計(jì)算選項(xiàng)（如基集，交換關(guān)聯(lián)勢(shì)和收斂判據(jù)），作業(yè)控制和文檔控制。文檔控制。分析：允許處理和演示分析：允許處理和演示CASTAPCASTAP計(jì)算結(jié)果。這一工具提供加速整體直觀計(jì)算結(jié)果。這一工具提供加速整體直觀化以及鍵結(jié)構(gòu)圖，態(tài)密度圖形和光學(xué)性質(zhì)圖形?；约版I結(jié)構(gòu)圖，態(tài)密度圖形和光學(xué)性質(zhì)圖形。CASTAPCASTAP的任務(wù)的任務(wù) CASTAPCASTAP計(jì)算是要進(jìn)行的三個(gè)任務(wù)中的一個(gè)，即單個(gè)點(diǎn)的能量計(jì)算，幾何優(yōu)化或分子計(jì)算是要進(jìn)行的三個(gè)任務(wù)中的一個(gè)，即單個(gè)點(diǎn)的能量計(jì)算，幾何優(yōu)化或分子動(dòng)力學(xué)?？商峁┻@些計(jì)算中的每一個(gè)以便產(chǎn)生特定的物理性能。性質(zhì)為一種附加的任務(wù)動(dòng)力學(xué)?？商峁┻@些計(jì)算

4、中的每一個(gè)以便產(chǎn)生特定的物理性能。性質(zhì)為一種附加的任務(wù)，允許重新開始已完成的計(jì)算以便產(chǎn)生最初沒(méi)有提出的額外性能。，允許重新開始已完成的計(jì)算以便產(chǎn)生最初沒(méi)有提出的額外性能。在在CASTAPCASTAP計(jì)算中有很多運(yùn)行步驟，可分為如下幾組：計(jì)算中有很多運(yùn)行步驟，可分為如下幾組：* * 結(jié)構(gòu)定義：必須規(guī)定包含所感興趣結(jié)構(gòu)的周期性的結(jié)構(gòu)定義：必須規(guī)定包含所感興趣結(jié)構(gòu)的周期性的3D3D模型文件，有大量方法規(guī)定一模型文件，有大量方法規(guī)定一種結(jié)構(gòu)：可使用構(gòu)建晶體（種結(jié)構(gòu)：可使用構(gòu)建晶體（Build Crystal)Build Crystal)或構(gòu)建真空板或構(gòu)建真空板(Build Vacuum Stab)(B

5、uild Vacuum Stab)來(lái)構(gòu)來(lái)構(gòu)建，也可從已經(jīng)存在的的結(jié)構(gòu)文檔中引入，還可修正已存在的結(jié)構(gòu)。建，也可從已經(jīng)存在的的結(jié)構(gòu)文檔中引入，還可修正已存在的結(jié)構(gòu)。注意：注意： CASTAPCASTAP僅能在僅能在3D3D周期模型文件基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，必須構(gòu)建超單胞，以便研究分周期模型文件基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，必須構(gòu)建超單胞，以便研究分子體系。子體系。提示：提示： CASTAPCASTAP計(jì)算所需時(shí)間隨原子數(shù)平方的增加而增加。因此，建議用最小的原計(jì)算所需時(shí)間隨原子數(shù)平方的增加而增加。因此，建議用最小的原胞來(lái)描述體系，可使用胞來(lái)描述體系，可使用BuildSymmetryPrimitive CellBuil

6、dSymmetryPrimitive Cell菜單選項(xiàng)來(lái)轉(zhuǎn)換成原胞。菜單選項(xiàng)來(lái)轉(zhuǎn)換成原胞。 CASTAPCASTAP中選擇一項(xiàng)任務(wù)中選擇一項(xiàng)任務(wù)1 1 從模塊面板（從模塊面板（Module Explorer)Module Explorer)選擇選擇CASTAPCalculationCASTAPCalculation。2 2 選擇設(shè)置表。選擇設(shè)置表。3 3 從任務(wù)列表中選擇所要求的任務(wù)。從任務(wù)列表中選擇所要求的任務(wù)。 * * 計(jì)算設(shè)置：合適的計(jì)算設(shè)置：合適的3D3D模型文件一旦確定，必須選擇計(jì)算類型和相關(guān)參數(shù)模型文件一旦確定，必須選擇計(jì)算類型和相關(guān)參數(shù)，例如，對(duì)于動(dòng)力學(xué)計(jì)算必須確定系綜和參數(shù)，包

7、括溫度，時(shí)間步長(zhǎng)和步，例如，對(duì)于動(dòng)力學(xué)計(jì)算必須確定系綜和參數(shù)，包括溫度，時(shí)間步長(zhǎng)和步數(shù)。選擇運(yùn)行計(jì)算的磁盤并開始數(shù)。選擇運(yùn)行計(jì)算的磁盤并開始CASTAPCASTAP作業(yè)。作業(yè)。* * 結(jié)果分析：計(jì)算完成后，相關(guān)于結(jié)果分析：計(jì)算完成后，相關(guān)于CASTAPCASTAP作業(yè)的文檔返回用戶，在項(xiàng)作業(yè)的文檔返回用戶，在項(xiàng)目面板適當(dāng)位置顯示。這些文檔的一些進(jìn)一步處理要求獲得可觀察量如光目面板適當(dāng)位置顯示。這些文檔的一些進(jìn)一步處理要求獲得可觀察量如光學(xué)性質(zhì)。學(xué)性質(zhì)。CASTAPCASTAP能量任務(wù)能量任務(wù)CASTAPCASTAP能量任務(wù)允許計(jì)算特定體系的總能量以及物理性質(zhì)。能量任務(wù)允許計(jì)算特定體系的總能量以

8、及物理性質(zhì)。除了總能量之外，在計(jì)算之后還可報(bào)告作用于原子上的力；也能創(chuàng)建電荷除了總能量之外，在計(jì)算之后還可報(bào)告作用于原子上的力；也能創(chuàng)建電荷密度文件；利用材料觀測(cè)儀（密度文件；利用材料觀測(cè)儀（Material Visualizer)Material Visualizer)允許目測(cè)電荷密度的允許目測(cè)電荷密度的立體分布；還能報(bào)告計(jì)算中使用的立體分布；還能報(bào)告計(jì)算中使用的Monkhorst-ParkMonkhorst-Park的的k k點(diǎn)的電子能量，因點(diǎn)的電子能量，因此在此在CASTAPCASTAP分析中可生成態(tài)密度圖。分析中可生成態(tài)密度圖。對(duì)于能夠得到可靠結(jié)構(gòu)信息的體系的電子性質(zhì)的研究，能量任務(wù)是

9、對(duì)于能夠得到可靠結(jié)構(gòu)信息的體系的電子性質(zhì)的研究，能量任務(wù)是有用的。只要給定應(yīng)力性質(zhì)，也可用于計(jì)算沒(méi)有內(nèi)部自由度的高對(duì)有用的。只要給定應(yīng)力性質(zhì)，也可用于計(jì)算沒(méi)有內(nèi)部自由度的高對(duì)稱性體系的狀態(tài)方程（即壓力稱性體系的狀態(tài)方程（即壓力- -體積，能量體積，能量- -體積關(guān)系）。體積關(guān)系）。注意：具有內(nèi)部自由度的體系中，利用幾何優(yōu)化（注意：具有內(nèi)部自由度的體系中，利用幾何優(yōu)化（Geometry Geometry Optimization)Optimization)任務(wù)可獲得狀態(tài)方程。任務(wù)可獲得狀態(tài)方程。CASTAPCASTAP中能量的默認(rèn)單位是電子伏特中能量的默認(rèn)單位是電子伏特(eV)(eV)，各種能量

10、單位的換算關(guān)，各種能量單位的換算關(guān)系見系見Mohr.P.J(202X).Mohr.P.J(202X).1 eV=0.036749308 Ha=23.0605 kcal/mole=96.4853 kJ/mole1 eV=0.036749308 Ha=23.0605 kcal/mole=96.4853 kJ/moleCASTAPCASTAP幾何優(yōu)化任務(wù)幾何優(yōu)化任務(wù) CASTAPCASTAP幾何優(yōu)化任務(wù)允許改善結(jié)構(gòu)的幾何，獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)或多晶幾何優(yōu)化任務(wù)允許改善結(jié)構(gòu)的幾何，獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)或多晶型物。通過(guò)一個(gè)迭代過(guò)程來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)，迭代過(guò)程中調(diào)整原子坐標(biāo)型物。通過(guò)一個(gè)迭代過(guò)程來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)，迭代過(guò)程中調(diào)整

11、原子坐標(biāo)和晶胞參數(shù)使結(jié)構(gòu)的總能量最小化。和晶胞參數(shù)使結(jié)構(gòu)的總能量最小化。 CASTAPCASTAP幾何優(yōu)化是基于減小計(jì)算力和應(yīng)力的數(shù)量級(jí)，直到小于規(guī)幾何優(yōu)化是基于減小計(jì)算力和應(yīng)力的數(shù)量級(jí)，直到小于規(guī)定的收斂誤差。也可能給定外部應(yīng)力張量來(lái)對(duì)拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和切應(yīng)定的收斂誤差。也可能給定外部應(yīng)力張量來(lái)對(duì)拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和切應(yīng)力等作用下的體系行為模型化。在這些情況下力等作用下的體系行為模型化。在這些情況下反反復(fù)迭復(fù)迭代內(nèi)部應(yīng)力張量直到與所代內(nèi)部應(yīng)力張量直到與所施加的外部應(yīng)力相等。施加的外部應(yīng)力相等。 幾何優(yōu)化處理產(chǎn)生的模型幾何優(yōu)化處理產(chǎn)生的模型結(jié)構(gòu)與真實(shí)結(jié)構(gòu)緊密相似。利結(jié)構(gòu)與真實(shí)結(jié)構(gòu)緊密相似。利用用CA

12、STAPCASTAP計(jì)算的晶格參數(shù)精度計(jì)算的晶格參數(shù)精度列于右圖。列于右圖。狀態(tài)方程計(jì)算狀態(tài)方程計(jì)算在所施加靜壓力下幾何優(yōu)化可用于確定材料的體模量在所施加靜壓力下幾何優(yōu)化可用于確定材料的體模量B B和對(duì)壓力的導(dǎo)數(shù)和對(duì)壓力的導(dǎo)數(shù)B B= =dB/dPdB/dP。過(guò)程包括計(jì)算理論狀態(tài)方程（過(guò)程包括計(jì)算理論狀態(tài)方程（EOSEOS），該方程描述單胞體積與外），該方程描述單胞體積與外部靜壓力的關(guān)系。工藝非常類似于真實(shí)實(shí)驗(yàn)：使用幾何優(yōu)化對(duì)話框中的應(yīng)力部靜壓力的關(guān)系。工藝非常類似于真實(shí)實(shí)驗(yàn)：使用幾何優(yōu)化對(duì)話框中的應(yīng)力列表將外部壓力固定。通過(guò)進(jìn)行幾何優(yōu)化可以找到在此壓力下的單胞體積。列表將外部壓力固定。通過(guò)進(jìn)

13、行幾何優(yōu)化可以找到在此壓力下的單胞體積。隨后的隨后的P-V P-V 數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)研究精確一致。描述數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)研究精確一致。描述EOSEOS選擇分析表達(dá)式，其選擇分析表達(dá)式，其參數(shù)適于計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)。最流行的參數(shù)適于計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)。最流行的EOSEOS形式是三階形式是三階Birch-Murnaghan Birch-Murnaghan 方程：方程： 式中式中V V0 0 為平衡體積。為平衡體積。Cohen Cohen 等進(jìn)行了等進(jìn)行了EOSEOS各種解析式的的詳細(xì)比較各種解析式的的詳細(xì)比較研究。研究。注意：從相應(yīng)實(shí)驗(yàn)中獲得的注意：從相應(yīng)實(shí)驗(yàn)中獲得的B B和和B B值依賴于計(jì)算使用的壓力值范圍。利用值

14、依賴于計(jì)算使用的壓力值范圍。利用金剛石壓砧獲得的實(shí)驗(yàn)值通常在金剛石壓砧獲得的實(shí)驗(yàn)值通常在0-30GPa0-30GPa范圍內(nèi)，因此推薦理論研究也范圍內(nèi)，因此推薦理論研究也在這個(gè)范圍內(nèi)。在研究中避免使用負(fù)壓力值也很重要。此外，用于生在這個(gè)范圍內(nèi)。在研究中避免使用負(fù)壓力值也很重要。此外，用于生成成P-V P-V 數(shù)據(jù)序列的壓力值可能是不均勻的，在低壓力范圍要求更精確采樣數(shù)據(jù)序列的壓力值可能是不均勻的，在低壓力范圍要求更精確采樣以便獲得體模量精確值。以便獲得體模量精確值。P-V 幾何優(yōu)化方法幾何優(yōu)化方法 在默認(rèn)條件下，在默認(rèn)條件下，CASTAPCASTAP使用使用BFGSBFGS幾何優(yōu)化方法。該方法通

15、常提供了尋幾何優(yōu)化方法。該方法通常提供了尋找最低能量結(jié)構(gòu)的最快途徑，這是支持找最低能量結(jié)構(gòu)的最快途徑，這是支持CASTAPCASTAP單胞優(yōu)化的唯一模式。單胞優(yōu)化的唯一模式。 衰減分子動(dòng)力學(xué)（ Ded molecular dynamics）方法是另一種可以選擇的方法，該方法對(duì)具有平滑勢(shì)能表面的體系如分子晶體或表面分子與BFGS同樣有效。 CASTAPCASTAP動(dòng)力學(xué)任務(wù)動(dòng)力學(xué)任務(wù) CASTAPCASTAP動(dòng)力學(xué)任務(wù)允許模擬結(jié)構(gòu)中原子在計(jì)算力的影響下將如何移動(dòng)。動(dòng)力學(xué)任務(wù)允許模擬結(jié)構(gòu)中原子在計(jì)算力的影響下將如何移動(dòng)。 在進(jìn)行在進(jìn)行CASTAPCASTAP動(dòng)力學(xué)計(jì)算以前，可以選擇熱力學(xué)系綜和相應(yīng)

16、參數(shù)，定義模擬時(shí)間和模擬溫度。動(dòng)力學(xué)計(jì)算以前，可以選擇熱力學(xué)系綜和相應(yīng)參數(shù)，定義模擬時(shí)間和模擬溫度。選擇熱力學(xué)系綜選擇熱力學(xué)系綜 對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律積分允許探索體系恒值能量表面（對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律積分允許探索體系恒值能量表面（NVENVE動(dòng)力學(xué)）。然而，在體系與環(huán)境進(jìn)行動(dòng)力學(xué)）。然而，在體系與環(huán)境進(jìn)行熱交換條件下發(fā)生最本質(zhì)的現(xiàn)象。使用熱交換條件下發(fā)生最本質(zhì)的現(xiàn)象。使用NVTNVT系綜（或者是確定性的系綜（或者是確定性的NosNos系綜或者是隨機(jī)性的系綜或者是隨機(jī)性的Langevin Langevin 系綜）可模擬該條件。系綜）可模擬該條件。定義時(shí)間步長(zhǎng)（定義時(shí)間步長(zhǎng)（timestep timestep

17、 ） 在積分算法中重要參數(shù)是時(shí)間步長(zhǎng)。為更好利用計(jì)算時(shí)間，應(yīng)使用大的時(shí)間步長(zhǎng)。然而，如在積分算法中重要參數(shù)是時(shí)間步長(zhǎng)。為更好利用計(jì)算時(shí)間，應(yīng)使用大的時(shí)間步長(zhǎng)。然而，如果時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大，則可導(dǎo)致積分過(guò)程的不穩(wěn)定和不精確。典型地，這表示為運(yùn)動(dòng)常數(shù)的系統(tǒng)偏差果時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大，則可導(dǎo)致積分過(guò)程的不穩(wěn)定和不精確。典型地，這表示為運(yùn)動(dòng)常數(shù)的系統(tǒng)偏差。注意：量子力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算要求比力場(chǎng)動(dòng)力學(xué)使用更小的時(shí)間步長(zhǎng)。注意：量子力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算要求比力場(chǎng)動(dòng)力學(xué)使用更小的時(shí)間步長(zhǎng)。動(dòng)力學(xué)過(guò)程的約束動(dòng)力學(xué)過(guò)程的約束CASTAPCASTAP支持支持Langevin NVTLangevin NVT或或NVENVE動(dòng)力學(xué)過(guò)

18、程的線性約束。然而，借助動(dòng)力學(xué)過(guò)程的線性約束。然而，借助Material StudioMaterial Studio界面可界面可以近似使用以下兩種更基本的約束：以近似使用以下兩種更基本的約束： 質(zhì)心固定，單個(gè)原子固定。質(zhì)心固定，單個(gè)原子固定。 使用使用seednameseedname.cell.cell 文檔可以利用更復(fù)雜的約束。文檔可以利用更復(fù)雜的約束。 CASTAPCASTAP性質(zhì)任務(wù)性質(zhì)任務(wù) CASTAPCASTAP性質(zhì)任務(wù)允許在完成能量，幾何優(yōu)化或動(dòng)力學(xué)運(yùn)行之后求出電子和結(jié)構(gòu)性質(zhì)?？梢孕再|(zhì)任務(wù)允許在完成能量，幾何優(yōu)化或動(dòng)力學(xué)運(yùn)行之后求出電子和結(jié)構(gòu)性質(zhì)?？梢援a(chǎn)生的性質(zhì)如下：產(chǎn)生的性質(zhì)如下

19、：* * 態(tài)密度（態(tài)密度（DOSDOS）：利用原始模擬中產(chǎn)生的電荷密度和勢(shì)能，非自恰計(jì)算價(jià)帶和導(dǎo)帶的精細(xì)）：利用原始模擬中產(chǎn)生的電荷密度和勢(shì)能，非自恰計(jì)算價(jià)帶和導(dǎo)帶的精細(xì)Monkhorst-Pack Monkhorst-Pack 網(wǎng)格上的電子本征值。網(wǎng)格上的電子本征值。* * 帶結(jié)構(gòu)：利用原始模擬中產(chǎn)生的電荷密度和勢(shì)能，非自恰計(jì)算價(jià)帶和導(dǎo)帶的布里淵區(qū)高帶結(jié)構(gòu)：利用原始模擬中產(chǎn)生的電荷密度和勢(shì)能，非自恰計(jì)算價(jià)帶和導(dǎo)帶的布里淵區(qū)高對(duì)稱性方向電子本征值。對(duì)稱性方向電子本征值。* * 光學(xué)性質(zhì)：計(jì)算電子能帶間轉(zhuǎn)變的矩陣元素。光學(xué)性質(zhì)：計(jì)算電子能帶間轉(zhuǎn)變的矩陣元素。CASTAPCASTAP分析對(duì)話可用于

20、生成包含可以分析對(duì)話可用于生成包含可以測(cè)得的光學(xué)性質(zhì)的網(wǎng)格和圖形文件。測(cè)得的光學(xué)性質(zhì)的網(wǎng)格和圖形文件。* * 布局?jǐn)?shù)分析：進(jìn)行布局?jǐn)?shù)分析：進(jìn)行Mulliken Mulliken 分析。計(jì)算決定原子電荷的鍵總數(shù)和角動(dòng)量（以及分析。計(jì)算決定原子電荷的鍵總數(shù)和角動(dòng)量（以及自旋極化計(jì)算所需的磁矩）。任旋地，可產(chǎn)生態(tài)密度微分計(jì)算所要求的分量。自旋極化計(jì)算所需的磁矩）。任旋地，可產(chǎn)生態(tài)密度微分計(jì)算所要求的分量。* * 應(yīng)力：計(jì)算應(yīng)力張量，并寫入應(yīng)力：計(jì)算應(yīng)力張量，并寫入seedname.castepseedname.castep 文檔。文檔。 如果要進(jìn)行單胞參數(shù)固定時(shí)進(jìn)行幾何優(yōu)化運(yùn)行和要檢查點(diǎn)陣偏離平衡的

21、程如果要進(jìn)行單胞參數(shù)固定時(shí)進(jìn)行幾何優(yōu)化運(yùn)行和要檢查點(diǎn)陣偏離平衡的程度，這些信息是有用的。例如，可進(jìn)行符合于給定體系理論基態(tài)的固定單胞的度，這些信息是有用的。例如，可進(jìn)行符合于給定體系理論基態(tài)的固定單胞的點(diǎn)缺陷的超晶胞研究。幾何優(yōu)化后的應(yīng)力值顯示了與超單胞近似相關(guān)聯(lián)的彈性點(diǎn)缺陷的超晶胞研究。幾何優(yōu)化后的應(yīng)力值顯示了與超單胞近似相關(guān)聯(lián)的彈性效應(yīng)。效應(yīng)。注意：為計(jì)算某種性質(zhì)，從適當(dāng)模擬得到的結(jié)果文檔必須以當(dāng)前的文件注意：為計(jì)算某種性質(zhì)，從適當(dāng)模擬得到的結(jié)果文檔必須以當(dāng)前的文件夾形式出現(xiàn)。夾形式出現(xiàn)。目的目的: : 介紹介紹CASTEPCASTEP中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 使用立體可視化工具顯示等

22、值面使用立體可視化工具顯示等值面模塊模塊: Materials Visualizer, CASTEP: Materials Visualizer, CASTEP前提前提: : 使用晶體建模工具使用晶體建模工具用第一原理預(yù)測(cè)用第一原理預(yù)測(cè)AlAsAlAs的晶格參數(shù)的晶格參數(shù) 內(nèi)容內(nèi)容1. 1. 構(gòu)建構(gòu)建AlAsAlAs的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)2. 2. 設(shè)置并進(jìn)行設(shè)置并進(jìn)行CASTEPCASTEP計(jì)算計(jì)算3. 3. 分析結(jié)果分析結(jié)果4. 4. 比較計(jì)算的結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較計(jì)算的結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) (1)(1)圖示電荷密度圖示電荷密度 (2)(2)圖示態(tài)密度和帶結(jié)構(gòu)圖示態(tài)密度和帶結(jié)構(gòu)引言引言 本指

23、南介紹了本指南介紹了CASTEPCASTEP是如何使用量子力學(xué)方法來(lái)確定材料的晶體結(jié)構(gòu)，使用者將學(xué)會(huì)如何是如何使用量子力學(xué)方法來(lái)確定材料的晶體結(jié)構(gòu)，使用者將學(xué)會(huì)如何構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)，設(shè)定一個(gè)構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)，設(shè)定一個(gè)CASTEPCASTEP幾何優(yōu)化任務(wù)，然后分析計(jì)算結(jié)果。幾何優(yōu)化任務(wù)，然后分析計(jì)算結(jié)果。背景背景 密度泛函理論密度泛函理論 (DFT)(DFT)在周期性大尺度材料上應(yīng)用的進(jìn)展，對(duì)材料設(shè)計(jì)和加工越來(lái)越重要。該理論使得在周期性大尺度材料上應(yīng)用的進(jìn)展，對(duì)材料設(shè)計(jì)和加工越來(lái)越重要。該理論使得研究者能對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋；并從未知晶體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、結(jié)合能和表面分子的活動(dòng)性確定材料的本征性質(zhì)研究者能對(duì)實(shí)驗(yàn)

24、數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋；并從未知晶體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、結(jié)合能和表面分子的活動(dòng)性確定材料的本征性質(zhì)。這些理論工具可用于指導(dǎo)新材料的設(shè)計(jì)，幫助研究者了解內(nèi)在的化學(xué)和物理過(guò)程。這些理論工具可用于指導(dǎo)新材料的設(shè)計(jì)，幫助研究者了解內(nèi)在的化學(xué)和物理過(guò)程。注意注意: : 如果你的服務(wù)器沒(méi)有足夠快的如果你的服務(wù)器沒(méi)有足夠快的CPUCPU，請(qǐng)慎用，請(qǐng)慎用CASTEPCASTEP進(jìn)行幾何優(yōu)化計(jì)算，因?yàn)樗鼤?huì)占用相當(dāng)長(zhǎng)進(jìn)行幾何優(yōu)化計(jì)算，因?yàn)樗鼤?huì)占用相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間的時(shí)間 。AlAl的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：(0 0 0） (1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) （0 1/2 1/2）AsAs的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：(3/4 3/4

25、 3/4） (1/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 1/4) （3/4 1/4 1/4）(0 0 0）(1/2 0 1/2)(1/2 1/2 0)（0 1/2 1/2）(1/4 1/4 3/4)（3/4 1/4 1/4）（1/4 3/4 1/4）（3/4 3/4 3/4）As: (3/4 3/4 3/4）= (1/4 1/4 1/4） 1. 1. 構(gòu)建構(gòu)建AlAsAlAs的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu) 空間群是空間群是F-43m 構(gòu)建一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)，需要知道該晶體的空間群、晶格參數(shù)和晶體的內(nèi)坐標(biāo)。對(duì)構(gòu)建一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)，需要知道該晶體的空間群、晶格參數(shù)和晶體的內(nèi)坐標(biāo)。對(duì)AlAs AlAs 來(lái)說(shuō)來(lái)說(shuō)，空間

26、群是，空間群是F-43mF-43m，空間群代號(hào)為，空間群代號(hào)為216216。原胞有兩個(gè)原子，。原胞有兩個(gè)原子，Al Al 和和As As 的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)分別為的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)分別為(0, (0, 0, 0)0, 0)和和(0.25, 0.25, 0.25)(0.25, 0.25, 0.25)，晶格參數(shù)為，晶格參數(shù)為5.6622 .5.6622 .。 第一步是建立晶格。第一步是建立晶格。 在在D diskD disk上建立英文目錄上建立英文目錄D:class3D:class3。按下面步驟。按下面步驟, ,在在Project Explorer Project Explorer 內(nèi)，建立內(nèi)，建立AlAsAlA

27、s根目錄。根目錄。從“開始”或快捷圖標(biāo) 打開MS。找到class3，按“打開”按鈕輸入AlAs，這將是新的Project的名字。在 Project Explorer中，右擊根目錄AlAs，選擇New | 3D Atomistic Document。右擊3D Atomistic document文件，將該文件重新命名為AlAs.xsd。從菜單欄里選擇從菜單欄里選擇Build / Crystals / Build CrystalBuild / Crystals / Build Crystal。Build Crystal Build Crystal 對(duì)話框顯示出來(lái)。對(duì)話框顯示出來(lái)。點(diǎn)擊點(diǎn)擊Enter

28、 group Enter group 輸入輸入216216，按下，按下TAB TAB 按鈕按鈕( (或在或在Enter groupEnter group中選擇中選擇F-43m)F-43m)，空間群信，空間群信息更新為息更新為F-43m F-43m 空間群?？臻g群信息框中空間群?？臻g群信息框中的信息也隨著的信息也隨著F-43mF-43m空間群的信息而發(fā)生變化空間群的信息而發(fā)生變化 。楊碚芳課楊碚芳課選擇選擇Lattice Parameters 標(biāo)簽，把標(biāo)簽，把a(bǔ)值從值從10.00 變?yōu)樽優(yōu)?.662。點(diǎn)擊。點(diǎn)擊Build 按鈕。按鈕。單擊此圖標(biāo)，然后可旋轉(zhuǎn)晶格，顯示其立體結(jié)構(gòu)。一個(gè)沒(méi)有原子的3D

29、 格子顯示在格子顯示在3D Atomistic 文件里。文件里。AsAl?Atom # OX SITE x y z SOF H Al 1 +3 4 a 0 0 0 1. 0 As 2 -3 4 c 0.25 0.25 0.25 1. 0 *end for ICSD #67784AlAl的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：(0 0 0） (1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) （0 1/2 1/2）AsAs的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：(3/4 3/4 3/4） (1/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 1/4) （3/4 1/4 1/4）輸入幾個(gè)原子？輸入幾個(gè)原子？Ba3Si6O9N4作業(yè)作業(yè)1 1

30、：解釋符：解釋符號(hào)和群號(hào)和群F-43mF-43m的意的意思，給出參考書。思，給出參考書。需輸入需輸入3 3個(gè)個(gè)BaBa 2 2個(gè)個(gè)SiSi 2 2個(gè)個(gè)N N 3 3個(gè)個(gè)O O * * 從菜單欄中選擇從菜單欄中選擇Build / Add AtomsBuild / Add Atoms。通過(guò)。通過(guò)Add Atoms Add Atoms 對(duì)話框，我們可以把原子添加到對(duì)話框，我們可以把原子添加到指定的位置，其對(duì)話框如下：指定的位置，其對(duì)話框如下： 在Add Atoms對(duì)話框中選擇Options標(biāo)簽，確定Coordinate system為Fractional。* * 如上所示，選擇如上所示，選擇Atom

31、sAtoms標(biāo)簽，通過(guò)周期表，在標(biāo)簽，通過(guò)周期表，在ElementElement文本框中輸入文本框中輸入AlAl， 再輸入再輸入Al 的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)的分?jǐn)?shù)坐標(biāo) (0, 0, 0)，然后按下然后按下AddAdd按鈕，鋁原子就添加到結(jié)構(gòu)中按鈕，鋁原子就添加到結(jié)構(gòu)中了。了。 * * 從菜單欄中選擇從菜單欄中選擇View / Display StyleView / Display Style。在打開的對(duì)話框中，選擇。在打開的對(duì)話框中，選擇Ball Ball and stickand stick顯示方式。顯示方式。* * 同前，在同前，在ElementElement文本框中鍵入文本框中鍵入AsAs。在。在a

32、, b, ca, b, c文本框中鍵入文本框中鍵入0.250.25。按。按AddAdd按鈕，這樣按鈕，這樣AsAs也加入到晶格中。關(guān)閉對(duì)話框。也加入到晶格中。關(guān)閉對(duì)話框。說(shuō)明：上面操作雖然只加入一個(gè)說(shuō)明：上面操作雖然只加入一個(gè)AlAl、一個(gè)、一個(gè)AsAs，但群的對(duì)稱操作在晶體中補(bǔ)充了剩余的，但群的對(duì)稱操作在晶體中補(bǔ)充了剩余的AlAl原子和原子和AsAs原子原子( (等位原子等位原子) )。 如果新加原子以如果新加原子以lineline方式顯示，可重復(fù)前面步驟，改顯示方式為方式顯示，可重復(fù)前面步驟，改顯示方式為Ball and StickBall and Stick。單擊此圖標(biāo)，出現(xiàn)添加原子Ad

33、d Atoms 對(duì)話框。選擇原子名稱，輸入分?jǐn)?shù)坐標(biāo)，按Add，則原子添加到晶體結(jié)構(gòu)圖中。重復(fù)操作，直到添加完晶胞中的所有原子。關(guān)閉Add Atoms框。前面的添加原子操作也可用下面圖標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里不再重復(fù)。前面的添加原子操作也可用下面圖標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里不再重復(fù)。* * 從上面的從上面的AlAsAlAs晶體結(jié)構(gòu)看出，近鄰晶胞中的原子也顯示出來(lái)。這種顯示晶體結(jié)構(gòu)看出，近鄰晶胞中的原子也顯示出來(lái)。這種顯示表示了表示了AlAsAlAs晶體中鍵的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)然，可以通過(guò)重新建造晶體結(jié)構(gòu)來(lái)移去晶體中鍵的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)然，可以通過(guò)重新建造晶體結(jié)構(gòu)來(lái)移去這些這些近鄰晶胞中的近鄰晶胞中的原子。原子。 從菜單欄中選擇

34、從菜單欄中選擇Build / Crystals / Rebuild Crystal.，打開對(duì)話框，按下，打開對(duì)話框，按下Rebuild按鈕。在顯示出的晶體結(jié)構(gòu)中那些按鈕。在顯示出的晶體結(jié)構(gòu)中那些原子就被移走了。已經(jīng)把顯示方式定為原子就被移走了。已經(jīng)把顯示方式定為Ball and Stick。按下面圖示步驟，保存結(jié)果。按下面圖示步驟，保存結(jié)果。 3D Viewer 3D Viewer 內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的晶胞內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的晶胞conventional conventional (unit) cell(unit) cell，顯示了晶格的立方對(duì)稱性。，顯示了晶格的立方對(duì)稱性。CASTEP CA

35、STEP 利用了晶格的利用了晶格的對(duì)稱性，可以使用只包含兩個(gè)原子的原胞對(duì)稱性，可以使用只包含兩個(gè)原子的原胞primitive (unit) primitive (unit) cellcell來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而晶胞包含了來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而晶胞包含了8 8 個(gè)原子。電荷密度、鍵長(zhǎng)和個(gè)原子。電荷密度、鍵長(zhǎng)和每個(gè)原子的總能量將是一樣的，而不管這個(gè)每個(gè)原子的總能量將是一樣的，而不管這個(gè)unit cellunit cell是如何被是如何被定義的。這樣，使用原胞，原子數(shù)較少，計(jì)算量大大減小，計(jì)定義的。這樣，使用原胞，原子數(shù)較少，計(jì)算量大大減小，計(jì)算時(shí)間將被縮短。算時(shí)間將被縮短。Note：在計(jì)算磁性體系時(shí)，使用了自旋

36、極化。這時(shí)要注意，電荷：在計(jì)算磁性體系時(shí)，使用了自旋極化。這時(shí)要注意，電荷密度自旋波的周期是原胞的數(shù)倍。密度自旋波的周期是原胞的數(shù)倍。* 選擇菜單欄里的選擇菜單欄里的Build / Symmetry / Primitive Cell。模型文件模型文件(3D Viewer)顯示為原胞顯示為原胞(primitive cell)。 AlAs的原胞 不同角度 在晶體圖上按右鍵，選在晶體圖上按右鍵，選Label，在出現(xiàn)的對(duì)話框中選，在出現(xiàn)的對(duì)話框中選ElementSymbol。按按apply，晶胞上顯示元素，晶胞上顯示元素符號(hào)。符號(hào)。2. 設(shè)置設(shè)置CASTEP CASTEP 計(jì)算任務(wù)計(jì)算任務(wù) 從工具欄中

37、選擇從工具欄中選擇CASTEP 工具，再選擇工具，再選擇Calculation或從菜單或從菜單欄中選擇欄中選擇Modules | CASTEP |Calculation。CASTEP Calculation對(duì)話框?qū)υ捒蛉缦拢喝缦拢?下面我們分兩步，先優(yōu)化下面我們分兩步，先優(yōu)化AlAsAlAs的幾何結(jié)構(gòu)，再計(jì)算的幾何結(jié)構(gòu)，再計(jì)算Band StructureBand Structure和和Density of statesDensity of states。(1) 優(yōu)化優(yōu)化AlAs晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)* 把把Task 改為改為Geometry Optimization，計(jì)算精度計(jì)算精度Quality設(shè)

38、置為設(shè)置為coarse。* 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的默認(rèn)設(shè)置是優(yōu)化原子坐標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的默認(rèn)設(shè)置是優(yōu)化原子坐標(biāo)。在本例中，我們不僅要優(yōu)化原子坐。在本例中，我們不僅要優(yōu)化原子坐標(biāo)，同時(shí)也要優(yōu)化晶格常數(shù)。標(biāo)，同時(shí)也要優(yōu)化晶格常數(shù)。* 按下與按下與Task 相關(guān)的相關(guān)的More按鈕，勾按鈕，勾選上選上Optimize Cell， 關(guān)閉此對(duì)話框。關(guān)閉此對(duì)話框。 當(dāng)改變計(jì)算精度的時(shí)候，其它的參當(dāng)改變計(jì)算精度的時(shí)候，其它的參數(shù)也會(huì)自動(dòng)作相應(yīng)的變化。數(shù)也會(huì)自動(dòng)作相應(yīng)的變化。* * 選擇選擇ElectronicElectronic標(biāo)簽欄，按下標(biāo)簽欄，按下MoreMore按鈕。在按鈕。在SCFSCF對(duì)話框里作如下設(shè)置，將對(duì)話框里

39、作如下設(shè)置，將ChargeCharge由由0.50.5改為改為0.150.15，鉤上，鉤上Fix occupancyFix occupancy。* * 選擇選擇PropertiesProperties標(biāo)簽欄，里面的計(jì)算任務(wù)標(biāo)簽欄，里面的計(jì)算任務(wù)都不要選。都不要選。* * 選擇選擇Job Control Job Control 標(biāo)簽欄，按下標(biāo)簽欄，按下MoreMore按鈕。在按鈕。在CASTEP Job CASTEP Job Control Options Control Options 對(duì)話框里，改變對(duì)話框里，改變 Update interval Update interval 為為30.0

40、s30.0 s，關(guān)閉，關(guān)閉此對(duì)話框。此對(duì)話框。n按下按下Run 按鈕，關(guān)閉對(duì)話框。按鈕，關(guān)閉對(duì)話框。n注意，此時(shí)注意，此時(shí)3D結(jié)構(gòu)為激活窗口。如果激活窗口是文本，結(jié)構(gòu)為激活窗口。如果激活窗口是文本， 則則Run為灰色。為灰色。 幾秒鐘后，一個(gè)新文件夾出現(xiàn)在幾秒鐘后，一個(gè)新文件夾出現(xiàn)在Project Project Explorer Explorer 內(nèi)，該文件夾包含了所有的計(jì)算結(jié)果。內(nèi)，該文件夾包含了所有的計(jì)算結(jié)果。 如果使用客戶端服務(wù)器模式，當(dāng)工作結(jié)束時(shí)，文件會(huì)被傳回如果使用客戶端服務(wù)器模式，當(dāng)工作結(jié)束時(shí)，文件會(huì)被傳回到客戶端。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程需要一定的時(shí)間，與文件的大小有關(guān)。到客戶端。數(shù)據(jù)傳輸

41、過(guò)程需要一定的時(shí)間，與文件的大小有關(guān)。Job Explorer Job Explorer 顯示了所有正在運(yùn)行的工作的狀態(tài)。它顯示了很多有用的信息，包括服務(wù)器和工顯示了所有正在運(yùn)行的工作的狀態(tài)。它顯示了很多有用的信息，包括服務(wù)器和工作代碼。如果需要，也可以通過(guò)作代碼。如果需要，也可以通過(guò)Job ExplorerJob Explorer來(lái)中止運(yùn)行工作。來(lái)中止運(yùn)行工作。在工作運(yùn)行過(guò)程在工作運(yùn)行過(guò)程中，四個(gè)文件打中，四個(gè)文件打開了。這些文件開了。這些文件包含了晶體結(jié)構(gòu)包含了晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程、結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中模型的更新、中模型的更新、工作參數(shù)的設(shè)置工作參數(shù)的設(shè)置和運(yùn)行狀態(tài)的信和運(yùn)行狀態(tài)的信息，以及關(guān)

42、于總息，以及關(guān)于總能量、能量變化能量、能量變化、應(yīng)力、壓力和、應(yīng)力、壓力和位移隨迭代次數(shù)位移隨迭代次數(shù)變化的圖表。變化的圖表。計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)的兩個(gè)表示計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)的兩個(gè)表示能量收斂的圖框。能量收斂的圖框。查看計(jì)算查看計(jì)算設(shè)置設(shè)置 幾分鐘后，計(jì)算結(jié)束，出現(xiàn)幾分鐘后，計(jì)算結(jié)束，出現(xiàn)Job CompletedJob Completed 提示，表示計(jì)算成功。輸出文本文檔為提示，表示計(jì)算成功。輸出文本文檔為AlAs.castep，包含優(yōu)化信息，在，包含優(yōu)化信息，在AlAs CASTEP GeomOpt文件夾中。文件夾中。按下面圖示操作，關(guān)閉工作按下面圖示操作，關(guān)閉工作窗口中的文件。窗口中的文件。 (2

43、) (2) 接下來(lái)，利用優(yōu)化過(guò)的接下來(lái)，利用優(yōu)化過(guò)的AlAsAlAs結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)構(gòu)，計(jì)算AlAsAlAs的的Band StructureBand Structure和和Density of statesDensity of states。* * 在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的文件中，雙擊在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的文件中，雙擊AlAs.xsdAlAs.xsd、AlAs.castepAlAs.castep兩個(gè)文件。這兩個(gè)文件出兩個(gè)文件。這兩個(gè)文件出現(xiàn)在工作窗口中。按下面圖示設(shè)定計(jì)算現(xiàn)在工作窗口中。按下面圖示設(shè)定計(jì)算任務(wù)，直至任務(wù)，直至RunRun。出現(xiàn)新的文件出現(xiàn)新的文件夾夾* 打開新文件夾打開新文件夾AlAs CASTEP P

44、roperties，雙擊，雙擊AlAs_BandStr.castep，這，這此文件出現(xiàn)在工作窗口中。此文件出現(xiàn)在工作窗口中。* 按圖示操作，顯示按圖示操作，顯示AlAs的的Band Structure。(3) (3) 計(jì)算結(jié)束后，查看計(jì)算結(jié)束后，查看AlAsAlAs的的Band StructureBand Structure和和Density of statesDensity of states的計(jì)算結(jié)果。的計(jì)算結(jié)果?？捎霉ぞ呖捎霉ぞ?放大、縮放大、縮小能帶圖。小能帶圖。 能帶圖下方的字母表示布里淵區(qū)的高對(duì)稱點(diǎn)。單擊能帶圖下方的字母表示布里淵區(qū)的高對(duì)稱點(diǎn)。單擊AlAs.xsd文件，使其為當(dāng)前文

45、件，使其為當(dāng)前活動(dòng)窗口。再按圖示點(diǎn)擊計(jì)算設(shè)置活動(dòng)窗口。再按圖示點(diǎn)擊計(jì)算設(shè)置 ，使當(dāng)前狀態(tài)為，使當(dāng)前狀態(tài)為Band Structure。點(diǎn)擊下方的。點(diǎn)擊下方的More，則顯示出對(duì)稱點(diǎn)的坐標(biāo)。，則顯示出對(duì)稱點(diǎn)的坐標(biāo)。12* 在新文件夾在新文件夾AlAs CASTEP Properties中雙擊中雙擊AlAs_DOS.castep，這此文件，這此文件出現(xiàn)在工作窗口中。出現(xiàn)在工作窗口中。* 按圖示操作，顯示按圖示操作，顯示AlAs的的DOS?？捎霉ぞ呖捎霉ぞ?放大、縮放大、縮小能帶圖。小能帶圖。(4) (4) 前面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯示，前面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯示，AlAsAlAs的總能量隨迭代次數(shù)振蕩。下面改計(jì)算方

46、法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，的總能量隨迭代次數(shù)振蕩。下面改計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，避免振蕩。計(jì)算步驟與前面類似，圖示如下。避免振蕩。計(jì)算步驟與前面類似，圖示如下。結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程，可見結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程，可見隨著迭代次數(shù)的增加隨著迭代次數(shù)的增加，AlAsAlAs的總能量逐漸的總能量逐漸減小。減小。* 按下面圖示步驟，保存計(jì)算結(jié)果，關(guān)閉工作窗口中的文件。按下面圖示步驟，保存計(jì)算結(jié)果，關(guān)閉工作窗口中的文件。(5) (5) 同樣，利用優(yōu)化過(guò)的同樣，利用優(yōu)化過(guò)的AlAsAlAs結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)構(gòu)，計(jì)算AlAsAlAs的的Band StructureBand Structure和和Density of statesDensity

47、of states。*在新出現(xiàn)的文件夾中，打開在新出現(xiàn)的文件夾中，打開AlAs.castep、AlAs.xsd兩個(gè)文件。這兩個(gè)文件都出現(xiàn)兩個(gè)文件。這兩個(gè)文件都出現(xiàn)在工作窗口中。在工作窗口中。作業(yè)2：在.CASTEP文件中找到并記下總電子能量，與前面優(yōu)化后的總電子能量比較，哪個(gè)應(yīng)該??？* 設(shè)置計(jì)算任務(wù)，按設(shè)置計(jì)算任務(wù)，按Run進(jìn)行計(jì)算，關(guān)閉對(duì)話框。進(jìn)行計(jì)算，關(guān)閉對(duì)話框。(6) (6) 計(jì)算結(jié)束后，查看計(jì)算結(jié)束后，查看AlAsAlAs的的Band StructureBand Structure和和Density of statesDensity of states的計(jì)算結(jié)果。的計(jì)算結(jié)果。* 計(jì)算結(jié)

48、束后，出現(xiàn)提示，關(guān)閉。計(jì)算結(jié)束后，出現(xiàn)提示，關(guān)閉。* 保存計(jì)算結(jié)果，清理工作窗口。保存計(jì)算結(jié)果，清理工作窗口。* 在新出現(xiàn)的在新出現(xiàn)的AlAs CASTEP Properties文件夾中，雙擊文件夾中，雙擊AlAs_BandStr.castep，該文件出現(xiàn)在工，該文件出現(xiàn)在工作窗口中。作窗口中。* 按圖示操作，顯示帶結(jié)構(gòu)。按圖示操作，顯示帶結(jié)構(gòu)。* 同樣，雙擊同樣，雙擊AlAs_DOS.castep，顯示態(tài)密，顯示態(tài)密度。度。說(shuō)明：說(shuō)明： 分析工具可以用來(lái)顯示態(tài)密度分析工具可以用來(lái)顯示態(tài)密度(DOS)(DOS)和能帶結(jié)構(gòu)。和能帶結(jié)構(gòu)。 能帶結(jié)構(gòu)圖顯示了布里淵區(qū)內(nèi)沿著高對(duì)稱方向電子能量對(duì)能帶結(jié)構(gòu)

49、圖顯示了布里淵區(qū)內(nèi)沿著高對(duì)稱方向電子能量對(duì)k k矢的依賴性。這些矢的依賴性。這些圖提供了一個(gè)對(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的非常有用的工具。譬如，與近自由的圖提供了一個(gè)對(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的非常有用的工具。譬如，與近自由的s s 、p p 電子構(gòu)成的能帶相比，很容易鑒別出電子構(gòu)成的能帶相比，很容易鑒別出d d、f f電子構(gòu)成的窄帶。電子構(gòu)成的窄帶。 DOS DOS 和和PDOS PDOS 圖給出了材料的電子結(jié)構(gòu)的一個(gè)快速定性圖像，有時(shí)候它們可以直接和圖給出了材料的電子結(jié)構(gòu)的一個(gè)快速定性圖像，有時(shí)候它們可以直接和實(shí)驗(yàn)光譜結(jié)果相關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)光譜結(jié)果相關(guān)聯(lián)。 CASTEPCASTEP的主要輸出結(jié)

50、果文件的主要輸出結(jié)果文件AlAs.castep AlAs.castep 包含了有限的能帶結(jié)構(gòu)和包含了有限的能帶結(jié)構(gòu)和DOS DOS 信息，更多的信息，更多的詳細(xì)信息包含在詳細(xì)信息包含在AlAs_BandStr.castep AlAs_BandStr.castep 文件內(nèi)。文件內(nèi)。 打開打開Analysis Analysis 對(duì)話框，選上對(duì)話框，選上Band structureBand structure。從這個(gè)對(duì)話框可以看出，可以把能。從這個(gè)對(duì)話框可以看出，可以把能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度信息顯示在同一個(gè)圖中。在帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度信息顯示在同一個(gè)圖中。在DOSDOS部分，選上部分，選上Show DOSSho

51、w DOS，單擊，單擊ViewView，出，出現(xiàn)的圖包含了帶結(jié)構(gòu)和現(xiàn)的圖包含了帶結(jié)構(gòu)和DOSDOS兩種信息。當(dāng)然，可以分別顯示能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。兩種信息。當(dāng)然，可以分別顯示能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。 可以按圖片、數(shù)據(jù)格式輸出圖文件，數(shù)據(jù)可由可以按圖片、數(shù)據(jù)格式輸出圖文件，數(shù)據(jù)可由ExcelExcel等軟件讀取。等軟件讀取。還可以借助還可以借助CASTEP CASTEP 來(lái)計(jì)算很多其他性質(zhì)，比如反射率和介電函數(shù)等等。來(lái)計(jì)算很多其他性質(zhì)，比如反射率和介電函數(shù)等等。DFT計(jì)算帶隙計(jì)算帶隙Eg，數(shù)值偏小。比，數(shù)值偏小。比較下圖可知，計(jì)算精度高，較下圖可知，計(jì)算精度高，Eg大。大。(7) (7) 比較兩次計(jì)算的

52、結(jié)果比較兩次計(jì)算的結(jié)果12431.2961.762作業(yè)作業(yè)2 2：比較兩次計(jì)算出的總電子能量：比較兩次計(jì)算出的總電子能量3 3 分析結(jié)果分析結(jié)果當(dāng)結(jié)果文件被傳輸回來(lái)，會(huì)得到下列數(shù)個(gè)文件：當(dāng)結(jié)果文件被傳輸回來(lái)，會(huì)得到下列數(shù)個(gè)文件： AlAs.xsd AlAs.xsd 最后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)最后的優(yōu)化結(jié)構(gòu) AlAs Trajectory.xtd - AlAs Trajectory.xtd - 一個(gè)軌跡文件，一個(gè)軌跡文件， 包含了每一個(gè)優(yōu)化步驟后的結(jié)構(gòu)包含了每一個(gè)優(yōu)化步驟后的結(jié)構(gòu) AlAs.castep AlAs.castep 包含了優(yōu)化信息的輸出包含了優(yōu)化信息的輸出 文本文件文本文件 AlAs.param

53、 AlAs.param 模擬所用的輸入?yún)?shù)模擬所用的輸入?yún)?shù) 計(jì)算任何一個(gè)性質(zhì)，都會(huì)產(chǎn)生計(jì)算任何一個(gè)性質(zhì)，都會(huì)產(chǎn)生.param .param 和和.castep .castep 文件。文件。 在在AlAs AlAs 結(jié)構(gòu)中，由于對(duì)稱性的存在，受力為結(jié)構(gòu)中，由于對(duì)稱性的存在，受力為0 0，但是應(yīng)力的大小取決于晶格參數(shù)。，但是應(yīng)力的大小取決于晶格參數(shù)。這樣，這樣，CASTEP CASTEP 就會(huì)努力去最小化系統(tǒng)的總能量和應(yīng)力。因此，為保證計(jì)算能夠合適地完就會(huì)努力去最小化系統(tǒng)的總能量和應(yīng)力。因此，為保證計(jì)算能夠合適地完成，檢查壓力收斂是非常重要的。成，檢查壓力收斂是非常重要的。 在在Project

54、Explorer 內(nèi)，雙擊內(nèi)，雙擊AlAs.castep ，將其激活為當(dāng)前工作文件。選擇菜單欄，將其激活為當(dāng)前工作文件。選擇菜單欄里的里的Edit | Find. ，在文本框中輸入，在文本框中輸入“completed successfully”，按下，按下Find Next 按鈕，按鈕，AlAs.castep文件滾動(dòng)。文件滾動(dòng)。 看到一個(gè)含有兩行的表格，最后一列的每一行都顯示為看到一個(gè)含有兩行的表格，最后一列的每一行都顯示為Yes，這表明計(jì)算成功地結(jié)束，這表明計(jì)算成功地結(jié)束。 開始創(chuàng)建晶胞時(shí)，就知道晶格長(zhǎng)度為開始創(chuàng)建晶胞時(shí)，就知道晶格長(zhǎng)度為5.6622 。因此，可以把能量最小化后的晶。因此，可

55、以把能量最小化后的晶格長(zhǎng)度與初始的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較。實(shí)驗(yàn)的晶格長(zhǎng)度基于晶胞結(jié)構(gòu)，而不是原胞，因格長(zhǎng)度與初始的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較。實(shí)驗(yàn)的晶格長(zhǎng)度基于晶胞結(jié)構(gòu)，而不是原胞，因此需要將現(xiàn)在的原胞轉(zhuǎn)化為晶胞，再與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較。此需要將現(xiàn)在的原胞轉(zhuǎn)化為晶胞，再與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較。 4. 比較比較AlAs晶體結(jié)構(gòu)的計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)* 雙擊雙擊AlAs.xsd 使其為當(dāng)前工作文件使其為當(dāng)前工作文件* 從菜單欄里選擇從菜單欄里選擇Build / Symmetry / Conventional Cell，晶胞顯示出來(lái)。晶胞顯示出來(lái)。* 有數(shù)種方法看到晶格長(zhǎng)度有數(shù)種方法看到晶格長(zhǎng)度，一種就是打開，一種就是打開Lattice Parameters 對(duì)話框。在模對(duì)話框。在模型文件型文件(3D Viewer)上右擊上右擊，選擇，選擇Lattice Parameters。格矢大約。格矢大約為為5.721128 。* 另一種簡(jiǎn)單的方法是在左側(cè)另一種簡(jiǎn)單的方法是在左側(cè)Properties中選擇中選擇Lattice 3D，其中顯示晶格常數(shù)為其中顯示晶格常數(shù)為5.72113 。 誤差大約是誤差大約是-0.5%。這在。這在1-2%典型誤差范