中科大MaterialsStudio培训教程包你学会请将这一系列全看完一定有收获PPT课件.ppt

背景 当前 可应用于大周期性体系的密度泛函理论 DFT 取得了显著的进展 已经成为解决材料设计 加工中难题的有效方法 人们依据这个理论可以使解释实验数据 预测新晶体的结构 结合能和表面活性等基本性质 这些工具可以用来指导设计新材料 允许研究人员理解基本的化学和物理过程 绪论 在本教程中 将学习如何使用CASTEP来计算弹性常数和其他的力学性能 首先我们要优化BN立方晶体的结构 然后计算它的弹性常数 本指南主要包括以下内容 1优化BN立方晶体的结构2计算BN的弹性常数3弹性常数文件的描述 使用CASTEP计算BN的弹性常数目的 使用CASTEP计算弹性常数模块 MaterialsVisualizer CASTEP前提 已使用firstprinciples预测了AlAs的晶格常数 1 1 优化BN立方晶体的结构在计算弹性常数之前并不一定要进行几何优化 可以由实验观测到的结构计算出Cij数据 尽管如此 如果我们完成晶胞的几何优化 可以获得更多相容的结果 进而计算与理论基态对应的弹性常数 弹性常数的精确度 尤其是切变常数的精确度 主要取决于SCF计算的品质 特别是布里渊区取样和波函数收敛程度的品质 所以我们设置SCF k点取样和FFT格子的精度为Fine 首先导入BN结构在菜单栏中选择File Import 从structures semiconductors中选中BN msi 按Import按钮 输入BN的晶体结构 见右图 为了节省计算时间 由Build Symmetry PrimitiveCell将此conventionalrepresentation转化为primitiverepresentation 2 现在设置几何优化从工具栏中选择CASTEP工具 然后从下拉列中选择Calculation 或从菜单栏中选择Modules CASTEP Calculation CASTEPCalculation对话框见右图 在Setup标签中 把Task设置为GeometryOptimization 把Quality设置为Fine 并且把Functional设置为GGAandPW91 按下more按钮 选中Optimizecell 关闭CASTEPGeometryOptimization对话框 3 选择Electronic标签 按下More 按钮以得到CASTEPElectronicOptions对话框 把Derivedgrid的设置从Standard改为Fine 关闭CASTEPElectronicOptions对话框 选择JobControl标签 设定本地机运算 按下CASTEPCalculation对话框中的Run按钮 4 优化之后 此结构的晶胞参数应为a b c 2 574 现在我们可以继续计算优化结构的弹性常数 或按右键显示 5 2 计算BN的弹性常数BNCASTEPGeomOpt BN xsd处于激活状态 选择CASTEPCalculation对话框中的Setup标签 从Task的下拉清单中选择ElasticConstants 按下More 按钮 CASTEPElasticConstants对话框见右图 将Numberofstepsforeachstrain由4增加为6 按Run运行 CASTEP的弹性常数计算任务的结果以一批 castep输出文件的形式给出 这些文件中的每一个文件都代表确定的晶胞在假设的应变模式和应变振幅下的几何优化运行结果 这些文件的命名约定为 seedname cij m n 对于给定的模式来说 m代表当前的应变模式 n代表当前的应变振幅 6 仅取一种应变模式 6 从属性清单中选择Elasticconstants 从BN的弹性常数计算工作中得到的结果文件BN castep应自动显示在Resultsfile选框中 按下Calculate按钮 计算结束后产生一个新的文档BNElasticConstants txt 此文档中的信息包括 输入的应变和计算出的应力的总结 每一种应变模式线性拟合和拟合质量的计算结果 给定对称性下计算出的应力与弹性常数之间的对应 弹性常数Cij和弹性柔量Sij的表格 导出量 体积模量和其倒数 压缩系数 杨氏模量 Poisson比 Lame常数 用于模拟各向同性介质 CASTEP可以使用这些结果来分析每一个运行计算出来的压力张量 产生一个有关弹性性质的文件 从工具栏中选择CASTEP工具 然后选择Analysis或者从菜单栏中选择Modules CASTEP Analysis 7 3弹性常数文件的描述对于这种点阵类型 需要考虑两种应变模式 本教程只计算了一种 对于每一种应变模式 都有一个计算出的应力的总结 由各自的 castep文件得到 8 ElasticconstantsfromMaterialsStudio CASTEP Summaryofthecalculatedstresses Strainpattern 1 Currentamplitude 1 Transformedstresstensor GPa 4 9905780 0000000 000000 0 000000 6 9071590 953658 0 0000000 953658 6 908215 Currentamplitude 2 Transformedstresstensor GPa 5 9490420 0000000 000000 0 000000 7 0936250 571307 0 0000000 571307 7 094263 提供了应力 应变的组成和弹性常数张量之间联系的所有信息 在这一阶段 每一个弹性常数均有一个简洁的指数代表而不是由一对ij指数代表 稍后会在文件夹中给出压缩符和常规的指数标定之间 9 的对应 和弹性系数相对应的应力 压缩符 177400 asinducedbythestraincomponents 111400 在下面的表格中给出了每一种应力组成的应力 应变线性适配关系 StressCijvalueofvalueof indexindexstressstrain 11 4 990578 0 003000 11 5 949042 0 001800 11 6 891618 0 000600 11 7 8385970 000600 11 8 7849590 001800 11 9 7265620 003000 C gradient 788 920238 ErroronC 0 945626 Correlationcoeff 0 999997 Stressintercept 7 363559 此梯度提供了弹性常数的数值 或弹性常数的线性组合 适配的质量 由相关系数表示 提供了另人满意的弹性常数的不确定度 10 在进一步的分析中没有使用压力的切点值 它很简单的指示出收敛的基态离最初的结构有多远 所有应变模式的结果总结如下 Summaryofelasticconstants idijCij GPa 111788 92024 0 946 444447 55108 0 749 712148 70983 0 754 Theerrorsareonlyprovidedwhenmorethantwovaluesforthestrainamplitudewereused sincethereisnostatisticaluncertaintyassociatedwithfittingastraightlinetoonlytwopoints 弹性常数以常规的6x6张量的形式显示出 随后弹性柔量 compliances 以相似的6x6形式显示出 11 ElasticStiffnessConstantsCij GPa ElasticComplianceConstantsSij 1 GPa 0 0014282 0 0002075 0 00020750 00000000 00000000 0000000 0 00020750 0014282 0 00020750 00000000 00000000 0000000 0 0002075 0 00020750 00142820 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00235330 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00235330 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 0023533 文件的最后部分包含推出的属性 736 57379125 20883125 208830 000000 000000 00000125 20883736 57379125 208830 000000 000000 00000125 20883125 20883736 573790 000000 000000 000000 000000 000000 00000424 939740 000000 000000 000000 000000 000000 00000424 939740 000000 000000 000000 000000 000000 00000424 93974 12 Bulkmodulus 362 11330 0 593 GPa Compressibility 0 00276 1 GPa AxisYoungModulusPoissonRatios GPa X741 74894Exy 0 1586Exz 0 1586 Y741 74894Eyx 0 1586Eyz 0 1586 Z741 74894Ezx 0 1586Ezy 0 1586 Lameconstantsforisotropicmaterial GPa Lambda 106 1819 Mu 447 5511 END 13 预测锗的热力学属性 背景 线性响应或密度功能混乱理论是点阵动力学从头开始计算中最受欢迎的方法之一 尽管如此 这种方法的应用已经扩充到对振动属性的研究 线性响应提供了一种分析方法用于计算给定混乱的二级派生的整体能量 可以计算出许多属性 主要依赖于混乱的种类 在离子位置的混乱可以引起动力矩阵和声子 在磁场中引起NMR效应 在单位晶格矢量中产生弹性常数 在电场中引起非传导性效应等 在本指南中 我们将要学习为了计算声子散射和能态密度以及预测热力学属性如焓和自由能 如何使用CASTEP来完成线性响应计算 本指南主要包含以下内容 1优化锗单胞的结构 14 2计算声子散射和能态密度 3显示声子散射和能态密度 4显示热力学属性 1优化锗单胞的结构 首先我们要导入锗的结构 它包含在MaterialsStudio所提供的结构库中 在菜单栏中选择File Import 遵循下列路径structures metals puremetals选中Ge xsd 把它转换为原胞结构后 对它的计算会更快 从菜单栏中选择Build Symmetry PrimitiveCell 锗的原胞结构如右所示 现在开始使用CASTEP来优化锗的几何结构 从工具栏中选择CASTEP工具然后选中Calculation或从菜单栏中选择Modules CASTEP Calculation CASTEPCalculation的对话框如下 15 几何优化的默认值不包括对单胞的优化 在Setup标签上 把Task从Energy改为GeometryOptimization 把Functional改为LDA 在CASTEPGeometryOptimization对话框中 按下More 按钮 勾选上OptimizeCell 选中Electronic标签 把Energycutoff设置为Ultra fine 把SCFtolerance设置为Ultra fine 把k pointset设置为Coarse以及把Pseudo potentials设置为 Norm conserving 选中JobControl标签 选择你想要在其上运行工作的Gatewaylocation 把Runtimeoptimization设置为Speed 按下Run按钮开始运行 工作递交后开始运行 它大概需要2分钟时间 这主要取决于你的电脑的速度 结果放在一个被称为GeCASTEPGeomOpt的新文件夹中 16 2计算声子散射和能态密度 为了计算声子散射和声子的能态密度 在从CASTEPCalculation对话框的Properties标签选定适当的属性后 我们必须完成一个单点能量计算 确定GeCASTEPGeomOpt文件夹中的Ge xsd文件示激活文档 选中CASTEPCalculation对话框中的Setup标签 把Task设置为Energy 选择Electronic标签 按下More 按钮 显示出CASTEPElectronicOptions对话框 选择SCF标签 勾选上Fixoccupancy 关闭CASTEPElectronicOptions对话框 在CASTEPCalculation对话框中选定Properties标签 选择Phonondispersion并且把q vectorset设置为medium 选择Phonondensityofstates并且把q vectorset设置为medium 选中JobControl标签 选择你想要在其上运行工作的Gatewaylocation 按下Run按钮 在GeCASTEPGeomOpt文件夹中创建了一个名为GeCASTEPEnergy的新文件 当能量计算完成后 两个新文件Ge PhononDisp castep和Ge PhononDOS castep放在此文件夹中 17 3显示声子散射和能态密度 声子散射曲线显示出声子能量沿着布里渊区高对称性方向如何依赖于q向量 此信息可以从单晶的中子散射实验中获得 只有为数不多的物质可以获得这样的信息 所以用来确定建模方法是否正确的理论偏差曲线对于论证在卷首的从头开始计算方法的预测性能力是非常有用的 在一定情形下 它可能测量态密度而不是声子散射 而且与声子的态密度有直接关系的电子 声子交感作用可以通过隧道实验直接测量 所以能够从第一原理计算出声子的态密度是非常重要的 MaterialsStudio可以从任何 phononCASTEP输出文件中产生声子散射图和态密度图 这些文件隐藏在ProjectExplorer里 但是一个 phonon文件会和每一个拥有PhonDisp或PhonDOS后缀的 castep文件一起产生 现在 我们使用先前的计算结果来创建声子散射图 从MaterialsStudio的菜单栏中选择Modules CASTEP Analysis 从属性列表中选择Phonondispersion 确定Resultsfile选择框中显示的是Ge PhononDisp castep 从Units下拉列表中选择cm 1 从Graphstyle下拉列表中选择Line 按下View按钮 18 在结果文档中创建了一个新的图形文档GePhononDispersion xcd 它应和下图相似 声子散射的实验图如下所示 19 预测的频率可从Ge PhononDisp castep文件中得到 在ProjectExplorer中双击Ge PhononDisp castep 按下CRTL F键 搜索VibrationalFrequencies 结果文件中的部分内容如下所示 VibrationalFrequencies BranchnumberFrequency cm 1 q pt 1 0 5000000 2500000 750000 0 076923 Effectivecut off 252 3267EV 1142 467048 2154 267057 3226 736315 4228 208353 5285 654435 6292 950626 q pt 2 0 5000000 3000000 700000 0 038462 Effectivecut off 246 7136EV 20 每一个q点和每一个分支 纵向光波或声波 LO LA 横向光波或声波 TO TA 的频率以cm 1给出 同时也给出了q点在倒易空间中的位置 高对称性点G L和X在倒易空间中的位置各自为 000 0 50 50 5 和 0 500 5 这些点和q点12 6以及19相对应 预测的频率 cm 1 和实验的频率 cm 1 如下 21 总体来说 计算的精度是可以接受的 在Gamma点错误的声学波频率 3cm 1而不是0cm 1 使我们感觉这只是一般的精确度 通过对更好的SCFk点格子的计算 我们可以获得更加另人满意的实验结果 现在创建声子态密度图 从MaterialsStudio菜单栏中选择Modules CASTEP Analysis 从属性列表中选择Phonondensityofstates 确定Resultsfile选择框中显示的是Ge PhononDOS castep 把DOSdisplay设置为Full 按下View按钮 创建了一个新的图形文档GeDOS xcd 它应当与下图相似 22 4显示热力学属性 在CASTEP中的声子计算可以用来评价近似准谐波晶体的焓 熵 自由能 格子