实验指导书(一)-第一性原理方法计算

1、计算材料学导论实验指导书实验一：第一性原理方法计算模拟化合物的晶体结构和电子结构实验目的：1） 近十年来，随着计算机技术和材料科学的发展，基于密度函数理论的第一性原理方法计算在材料科学中的应用十分普遍和活跃，发展异常迅速。其应用领域涉及材料晶体结构优化，态密度和能带结构等电子结构，掺杂效应，相变热力学、光、电磁学性质的计算和设计。量子化学计算软件包较多，如免费软件包ABINIT(详见教材), 商业化软件包VASP, CASTEP，GAUSSIAN。本实验运用VASP4.6软件包，计算AB型的ZnS或相似结构的晶体结构和电子结构。实验要求： 2） 首先完成下列基础知识的问答填空，然后运用运用VA

2、SP4.6软件包，计算AB型的ZnS或相似结构的晶体结构和电子结构，并画出图形。实验内容: (一) 基础填空1) 简述第一性原理方法（或从头算）的基本概念。（ ）2）简述第一性原理方法在材料科学中有哪些具体应用？（ ）3) 什么叫多粒子体系的总能？（ ） 4) 什么叫能带结构？它是如何形成的？（ ）（二）第一性原理方法计算模拟AB型化合物（如ZnS）的晶体结构和电子结构。1. ZnS具有多种晶形，如闪锌矿结构(The Zincblende (B3) Structure)和纤锌矿结构（The Wurtzite (B4) Structure）,与之结构相同的化合物还有很多，不少化合物具有独特的光电

3、特性。请根据计算指南和模板，计算ZnS或者ZnO, SiC, AlN, CdSe，AgI, AlAs, AlP, AlSb, BAs, BN, BP, BeS, BeSe, BeTe, CdS,CdSe,CdTe, CuBr, CuCl, CuF, CuI, GaAs, GaP, GaSb, HgS, HgSe, HgTe, INAs, InP, MnS, MnSe, SiC, ZnSe, ZnTe)的晶体结构（含晶胞参数a,b,c,V，原子位置的可变内部参数），电子结构(含态密度（含总态密度，分态密度）和能带结构。并画出图形,标识出特征参数，给出能隙值。VIA O S Se Te， IIB

4、（M2+） Zn Co Ni Cd Pb IIB+VIA NiS ZnS基本上 将POTCAR中的元素内容唤成自己要计算的化合物旧可以了。CdSe POTCAR potential 势函数。（POTCAR Cd+ POTCAR Se 机械连接在一起的）， 如果我要计算NiS （POTCAR Ni +POTCAR S练贴到一起旧可以了）POSCR （POSITION）晶体结构素材：根据美国海军研究室晶体学结构网站数据库，获得相关晶体结构信息如下：1. 闪锌矿结构(The Zincblende (B3) Structure) Prototype: ZnS Pearson Symbol: cF8 S

5、trukturbericht Designation: B3 Space Group: F43m (Cartesian and lattice coordinate listings available) Number: 216 Reference: Wyckoff Vol. I, pp 108-110 Other compounds with this Structure: AgI, AlAs, AlP, AlSb, BAs, BN, BP, BeS, BeSe, BeTe, CdS, CuBr, CuCl, CuF, CuI, GaAs, GaP, GaSb, HgS, HgSe, HgT

6、e, INAs, InP, MnS, MnSe, SiC, ZnSe, ZnTe Primitive Vectors: A1= a Y + a ZA2= a X + a ZA3= a X + a Y Basis Vectors: B1=0(Zn)(4a)B2= A1 + A2 + A3= a X + a Y + aZ(S)(4c)*Primitive vectorsa(1) = 0. 2. 2.a(2) = 2. 0. 2.a(3) = 2. 2. 0.Volume = 39.Basis Vectors:Atom Lattice Coordinates Cartesian Coordinate

7、sZn 0. 0. 0. 0. 0. 0.S 0. 0. 0. 1. 1. 1.POSCAR ! Position ZnS-B3 25# 1.0 0. 2. 2. 2. 0. 2. 2. 2. 0.1 1 ! Zn SDIRECT 0 0 00. 0. 0.2. The Wurtzite (B4) Structure Prototype: ZnS (Wurtzite) Pearson Symbol: hP4 Strukturbericht Designation: B4 Space Group: P63mc (Cartesian and lattice coordinate listings

8、available) Number: 186 Other Compounds with this Structure: ZnO, SiC, AlN, CdSe, BN, C(Hexagonal Diamond) Reference: Kisi and Elcombe, Acta Cryst. C45, 1867 (1989). Primitive Vectors: A1= a X - 31/2 a YA2= a X + 31/2 a YA3=c Z Basis Vectors: B1=1/3 A1 + 2/3 A2= a X + 3-1/2 aY(Zn)(2b)B2=2/3 A1 + 1/3

9、A2 + A3= a X - 3-1/2 a Y + cZ(Zn)(2b)B3=1/3 A1 + 2/3 A2 + u A3= a X + 3-1/2 a Y + u cZ(S)(2b)B4=2/3 A1 + 1/3 A2 + ( + u) A3= a X - 3-1/2 a Y + ( + u) cZ(S)(2b)*Primitive vectorsa(1) = 1. -3. 0.a(2) = 1. 3. 0.a(3) = 0. 0. 6.Volume = 79.Basis Vectors:Atom Lattice Coordinates Cartesian CoordinatesZn 0.

10、 0. 0. 1. 1. 0.Zn 0. 0. 0. 1. -1. 3.S 0. 0. 0. 1. 1. 2.S 0. 0. -0. 1. -1. -0.ZnS-B4 1.0 1. -3. 0. 1. 3. 0. 0. 0. 6. 2 2Direct 0.00021 0.99979 0.000 0.99979 0.00021 0.500 0.00021 0.99979 0.374 0.99979 0.00021 0.875在材料学院计算机实验室进行计算的步骤详解：（文件模板可在下载中心获得）1. 进入WinXP系统,接收老师发布的文件夹和文件(或提前到教学邮箱

11、 （fzdxclxy）（实验室网站下载中心(/downloads/)下载),拷贝到自己的U盘,重新启动系统,进入LINUX 系统,开始密码为或305.2. 检查计算机是否有其他任务在运行，如机器空闲时，进入 SUSE操作系统,默认用户为wubo，注销用户wubo，选择“其他“，采用新用户root 登录，密码为 或305-3. 进入系统，在桌面建立文件夹（如，2009为年级，318为个人学号，保证个人文件不被覆盖）。将模版文件夹解压到桌面。4. 先打开三套算例之一。 25#-SET， 或196-SET，59-SET（RESULT REF是参考计算结果）

12、等等*-r31文件夹(晶胞参数优化，寻找平衡结构,因为POSCAR中参照类似结构，给的是假设值，不一定是平衡值，点击右键，打开“终端”运行界面，输入 vaspr31& ,然后回车，计算开始执行。（进行晶胞参数优化）5. 3-5分钟后敲击回车键，等待运行完毕，出现“ * done“。 将r31文件夹复制一份为r32文件夹，右键点击出现”终端“，然后输入”cp CONTCAR POSCAR，回车，输入“y”确认（ENTER键）。 （即将CONTCAR 中内容拷贝到POSCAR中，使得本次计算的初始晶胞参数是在前一次r31计算结果的基础上进行，即进一步优化，对复杂结构尤其需要。）然后输入“vaspr

13、32&,等待完成。6. 将r32文件夹中除INCAR外(INCAR与前面r31,r32的区别是NSW=10=1)的所有文件拷贝到”*-rf“文件夹中，右键点击出现”终端“，然后输入”cp CONTCAR POSCAR，回车，输入“y”确认。 （即将CONTCAR 中内容拷贝到POSCAR中，使得本次计算的初始晶胞参数是在前一次r32计算结果的基础上进行，即。）然后输入“vasprf&,等待完成。7. 将*-rf 文件夹中所有内容,除INCAR (INCAR与前面r31,r32的区别是NSW=10=1,ICHARG=111,Add RWIGS Parameter From POTCAR）拷贝到*

14、-DOS 文件夹，终端运行vaspLOG-DOS&,8. 将*-rf 文件夹中所有内容,除INCAR (INCAR与前面r31,r32的区别是NSW=10=1,ICHARG=111,Add RWIGS Parameter From POTCAR）, KPOINTS（KPOINTS变成第一布里渊区的高对称点的连线取点）拷贝到*-BAND 文件夹，终端运行vaspLOG-BAND&，敲击回车。9待完成计算后，运用工具小程序软件band-plot.out提取能带数据。先编译band-plot.out 命令为：chmod +x ./band-plot.out Or 在XP下，VASP.EXE linu

15、x-zens:/home/vasp-work/ZnS-BAND # chmod +x ./band-plot.outlinux-zens:/home/vasp-work/ ZnS-BAND # ./band-plot.out fermi level (eV) ！待输入的这个数据来自上一步计算DOS的文件夹中的DOSCAR中第六行的第4个数据。 如：ZnS-DOS/DOSCAR 4 4 1 0 0.E+02 0.E-09 0.E-09 0.E-09 0.E-15 1.0000E-004 CAR CdSe-B4 47. -13. 301 3. 1. -13.772 0.0000E+00 0.0000E+00 -13.567 0.0000E+00 0.0000E+00 -13.363 0.0000E+00 0.0000E+00. .3.5606得到一个数据文件 BAND.DAT9.将所计算文件夹打包拷贝到自己的U-DISK。（如果U-DISK空间有