MaterialsStudio超值培训教程

1、MaterialsStudio超值培训教程* 不支持中文目录不支持中文目录* 显示扩展名显示扩展名CASTEPCASTEP概述概述关于关于CASTAPCASTAP CASTAPCASTAP是特别为固体材料学而设计的一个现代的量子力学基本是特别为固体材料学而设计的一个现代的量子力学基本程序，其使用了密度泛函程序，其使用了密度泛函(DFT(DFT）平面波赝势方法，进行第一性原理量子）平面波赝势方法，进行第一性原理量子力学计算，以探索如半导体，陶瓷，金属，矿物和沸石等材料的晶体和表力学计算，以探索如半导体，陶瓷，金属，矿物和沸石等材料的晶体和表面性质。面性质。 典型的应用包括表面化学，键结构，态密度

2、和光学性质等研究，典型的应用包括表面化学，键结构，态密度和光学性质等研究， CASTAPCASTAP也可用于研究体系的电荷密度和波函数的也可用于研究体系的电荷密度和波函数的3D3D形式。此外，形式。此外， CASTAPCASTAP可用于有效研究点缺陷（空位，间隙和置换杂质）和扩展缺陷（如晶可用于有效研究点缺陷（空位，间隙和置换杂质）和扩展缺陷（如晶界和位错）的性质。界和位错）的性质。 Material StudioMaterial Studio使用组件对话框中的使用组件对话框中的CASTAPCASTAP选项允许准备，启动，选项允许准备，启动，分析和监测分析和监测CASTAPCASTAP服役工作

3、。服役工作。计算：允许选择计算选项（如基集，交换关联势和收敛判据），作业控制计算：允许选择计算选项（如基集，交换关联势和收敛判据），作业控制和文档控制。和文档控制。分析：允许处理和演示分析：允许处理和演示CASTAPCASTAP计算结果。这一工具提供加速整体直观化计算结果。这一工具提供加速整体直观化以及键结构图，态密度图形和光学性质图形。以及键结构图，态密度图形和光学性质图形。CASTAPCASTAP的任务的任务 CASTAPCASTAP计算是要进行的三个任务中的一个，即单个点的能量计算，几何优化或计算是要进行的三个任务中的一个，即单个点的能量计算，几何优化或分子动力学。可提供这些计算中的每一

4、个以便产生特定的物理性能。性质为一种附分子动力学。可提供这些计算中的每一个以便产生特定的物理性能。性质为一种附加的任务，允许重新开始已完成的计算以便产生最初没有提出的额外性能。加的任务，允许重新开始已完成的计算以便产生最初没有提出的额外性能。在在CASTAPCASTAP计算中有很多运行步骤，可分为如下几组：计算中有很多运行步骤，可分为如下几组：* * 结构定义：必须规定包含所感兴趣结构的周期性的结构定义：必须规定包含所感兴趣结构的周期性的3D3D模型文件，有大量方模型文件，有大量方法规定一种结构：可使用构建晶体（法规定一种结构：可使用构建晶体（Build Crystal)Build Cryst

5、al)或构建真空板或构建真空板(Build (Build Vacuum Stab)Vacuum Stab)来构建，也可从已经存在的的结构文档中引入，还可修正已来构建，也可从已经存在的的结构文档中引入，还可修正已存在的结构。存在的结构。注意：注意： CASTAPCASTAP仅能在仅能在3D3D周期模型文件基础上进行计算，必须构建超单胞，以周期模型文件基础上进行计算，必须构建超单胞，以便研究分子体系。便研究分子体系。提示：提示： CASTAPCASTAP计算所需时间随原子数平方的增加而增加。因此，建议用计算所需时间随原子数平方的增加而增加。因此，建议用最小的原胞来描述体系，可使用最小的原胞来描述体

6、系，可使用BuildSymmetryPrimitive CellBuildSymmetryPrimitive Cell菜单选菜单选项来转换成原胞。项来转换成原胞。 CASTAPCASTAP中选择一项任务中选择一项任务1 1 从模块面板（从模块面板（Module Explorer)Module Explorer)选择选择CASTAPCalculationCASTAPCalculation。2 2 选择设置表。选择设置表。3 3 从任务列表中选择所要求的任务。从任务列表中选择所要求的任务。 * * 计算设置：合适的计算设置：合适的3D3D模型文件一旦确定，必须选择计算类型和相关参模型文件一旦确定，

7、必须选择计算类型和相关参数，例如，对于动力学计算必须确定系综和参数，包括温度，时间步长和数，例如，对于动力学计算必须确定系综和参数，包括温度，时间步长和步数。选择运行计算的磁盘并开始步数。选择运行计算的磁盘并开始CASTAPCASTAP作业。作业。* * 结果分析：计算完成后，相关于结果分析：计算完成后，相关于CASTAPCASTAP作业的文档返回用户，在项作业的文档返回用户，在项目面板适当位置显示。这些文档的一些进一步处理要求获得可观目面板适当位置显示。这些文档的一些进一步处理要求获得可观察量如光学性质。察量如光学性质。CASTAPCASTAP能量任务能量任务CASTAPCASTAP能量任务

8、允许计算特定体系的总能量以及物理性质。能量任务允许计算特定体系的总能量以及物理性质。除了总能量之外，在计算之后还可报告作用于原子上的力；也能除了总能量之外，在计算之后还可报告作用于原子上的力；也能创建电荷密度文件；利用材料观测仪（创建电荷密度文件；利用材料观测仪（Material Visualizer)Material Visualizer)允许允许目测电荷密度的立体分布；还能报告计算中使用的目测电荷密度的立体分布；还能报告计算中使用的Monkhorst-Park的的k点的电子能量，因此在点的电子能量，因此在CASTAPCASTAP分析中可生成态密度图。分析中可生成态密度图。对于能够得到可靠结

9、构信息的体系的电子性质的研究，能量任务是有用对于能够得到可靠结构信息的体系的电子性质的研究，能量任务是有用的。只要给定应力性质，也可用于计算没有内部自由度的高对称性体系的。只要给定应力性质，也可用于计算没有内部自由度的高对称性体系的状态方程（即压力的状态方程（即压力- -体积，能量体积，能量- -体积关系）。体积关系）。注意：具有内部自由度的体系中，利用几何优化（注意：具有内部自由度的体系中，利用几何优化（Geometry Geometry Optimization)Optimization)任务可获得状态方程。任务可获得状态方程。CASTAPCASTAP中能量的默认单位是电子伏特中能量的默认

10、单位是电子伏特(eV)(eV)，各种能量单位的换算关系见，各种能量单位的换算关系见Mohr.P.J(2000).Mohr.P.J(2000).1 eV=0.036749308 Ha=23.0605 kcal/mole=96.4853 kJ/moleCASTAPCASTAP几何优化任务几何优化任务 CASTAPCASTAP几何优化任务允许改善结构的几何，获得稳定结构或多晶几何优化任务允许改善结构的几何，获得稳定结构或多晶型物。通过一个迭代过程来完成这项任务，迭代过程中调整原子坐标型物。通过一个迭代过程来完成这项任务，迭代过程中调整原子坐标和晶胞参数使结构的总能量最小化。和晶胞参数使结构的总能量最

11、小化。 CASTAPCASTAP几何优化是基于减小计算力和应力的数量级，直到小于规定的几何优化是基于减小计算力和应力的数量级，直到小于规定的收敛误差。也可能给定外部应力张量来对拉应力、压应力和切应力等作用下收敛误差。也可能给定外部应力张量来对拉应力、压应力和切应力等作用下的体系行为模型化。在这些情况下的体系行为模型化。在这些情况下反反复迭复迭代内部应力张量直到与所代内部应力张量直到与所施加的外部应力相等。施加的外部应力相等。 几何优化处理产生的模几何优化处理产生的模型结构与真实结构紧密相似型结构与真实结构紧密相似。利用。利用CASTAPCASTAP计算的晶格参数计算的晶格参数精度列于右图。精度

12、列于右图。状态方程计算状态方程计算在所施加静压力下几何优化可用于确定材料的体模量在所施加静压力下几何优化可用于确定材料的体模量B B和对压力的导数和对压力的导数B B= =dB/dPdB/dP。过程包括计算理论状态方程（过程包括计算理论状态方程（EOSEOS），该方程描述单胞体积与），该方程描述单胞体积与外部静压力的关系。工艺非常类似于真实实验：使用几何优化对话外部静压力的关系。工艺非常类似于真实实验：使用几何优化对话框中的应力列表将外部压力固定。通过进行几何优化可以找到在此框中的应力列表将外部压力固定。通过进行几何优化可以找到在此压力下的单胞体积。随后的压力下的单胞体积。随后的P-V P-V

13、 数据分析与实验研究精确一致。描述数据分析与实验研究精确一致。描述EOSEOS选择分析表达式，其参数适于计算数据点。最流行的选择分析表达式，其参数适于计算数据点。最流行的EOSEOS形式是三阶形式是三阶Birch-Murnaghan Birch-Murnaghan 方程：方程： 式中式中V V0 0 为平衡体积。为平衡体积。Cohen Cohen 等进行了等进行了EOSEOS各种解析式的的详细比较各种解析式的的详细比较研究。研究。注意：从相应实验中获得的注意：从相应实验中获得的B B和和B B值依赖于计算使用的压力值范围。利值依赖于计算使用的压力值范围。利用金刚石压砧获得的实验值通常在用金刚石

14、压砧获得的实验值通常在0-30GPa0-30GPa范围内，因此推荐理论研究范围内，因此推荐理论研究也在这个范围内。在研究中避免使用负压力值也很重要。此外，用于也在这个范围内。在研究中避免使用负压力值也很重要。此外，用于生成生成P-V P-V 数据序列的压力值可能是不均匀的，在低压力范围要求更精数据序列的压力值可能是不均匀的，在低压力范围要求更精确采样以便获得体模量精确值。确采样以便获得体模量精确值。P-V 几何优化方法几何优化方法 在默认条件下，在默认条件下，CASTAPCASTAP使用使用BFGSBFGS几何优化方法。该方法通常提供了寻几何优化方法。该方法通常提供了寻找最低能量结构的最快途径

15、，这是支持找最低能量结构的最快途径，这是支持CASTAPCASTAP单胞优化的唯一模式。单胞优化的唯一模式。 衰减分子动力学（衰减分子动力学（ Damped molecular dynamics）方法是另一种）方法是另一种可以选择的方法，该方法对具有平滑势能表面的体系如分子晶体或表面可以选择的方法，该方法对具有平滑势能表面的体系如分子晶体或表面分子与分子与BFGSBFGS同样有效。同样有效。 CASTAPCASTAP动力学任务动力学任务 CASTAPCASTAP动力学任务允许模拟结构中原子在计算力的影响下将如何移动。动力学任务允许模拟结构中原子在计算力的影响下将如何移动。 在进行在进行CAST

16、APCASTAP动力学计算以前，可以选择热力学系综和相应参数，定义模拟时间和动力学计算以前，可以选择热力学系综和相应参数，定义模拟时间和模拟温度。模拟温度。选择热力学系综选择热力学系综 对牛顿运动定律积分允许探索体系恒值能量表面（对牛顿运动定律积分允许探索体系恒值能量表面（NVENVE动力学）。然而，在体系与环境进行热交动力学）。然而，在体系与环境进行热交换条件下发生最本质的现象。使用换条件下发生最本质的现象。使用NVTNVT系综（或者是确定性的系综（或者是确定性的NosNos系综或者是随机性的系综或者是随机性的Langevin Langevin 系综）可模拟该条件。系综）可模拟该条件。定义时

17、间步长（定义时间步长（timestep timestep ） 在积分算法中重要参数是时间步长。为更好利用计算时间，应使用大的时间步长。然而在积分算法中重要参数是时间步长。为更好利用计算时间，应使用大的时间步长。然而，如果时间步长过大，则可导致积分过程的不稳定和不精确。典型地，这表示为运动常数的，如果时间步长过大，则可导致积分过程的不稳定和不精确。典型地，这表示为运动常数的系统偏差。系统偏差。注意：量子力学分子动力学计算要求比力场动力学使用更小的时间步长。注意：量子力学分子动力学计算要求比力场动力学使用更小的时间步长。动力学过程的约束动力学过程的约束CASTAPCASTAP支持支持Langevi

18、n NVTLangevin NVT或或NVENVE动力学过程的线性约束。然而，借助动力学过程的线性约束。然而，借助Material StudioMaterial Studio界面可界面可以近似使用以下两种更基本的约束：以近似使用以下两种更基本的约束： 质心固定，单个原子固定。质心固定，单个原子固定。 使用使用seednameseedname.cell.cell 文档可以利用更复杂的约束。文档可以利用更复杂的约束。 CASTAPCASTAP性质任务性质任务 CASTAPCASTAP性质任务允许在完成能量，几何优化或动力学运行之后求出电子和结构性性质任务允许在完成能量，几何优化或动力学运行之后求出

19、电子和结构性质。可以产生的性质如下：质。可以产生的性质如下：* * 态密度（态密度（DOSDOS）：利用原始模拟中产生的电荷密度和势能，非自恰计算价带和导带的精细）：利用原始模拟中产生的电荷密度和势能，非自恰计算价带和导带的精细Monkhorst-Pack Monkhorst-Pack 网格上的电子本征值。网格上的电子本征值。* * 带结构：利用原始模拟中产生的电荷密度和势能，非自恰计算价带和导带的布里渊带结构：利用原始模拟中产生的电荷密度和势能，非自恰计算价带和导带的布里渊区高对称性方向电子本征值。区高对称性方向电子本征值。* * 光学性质：计算电子能带间转变的矩阵元素。光学性质：计算电子能

20、带间转变的矩阵元素。CASTAPCASTAP分析对话可用于生成包含可以分析对话可用于生成包含可以测得的光学性质的网格和图形文件。测得的光学性质的网格和图形文件。* * 布局数分析：进行布局数分析：进行Mulliken Mulliken 分析。计算决定原子电荷的键总数和角动量（以及自旋分析。计算决定原子电荷的键总数和角动量（以及自旋极化计算所需的磁矩）。任旋地，可产生态密度微分计算所要求的分量。极化计算所需的磁矩）。任旋地，可产生态密度微分计算所要求的分量。* * 应力：计算应力张量，并写入应力：计算应力张量，并写入seedname.castepseedname.castep 文档。文档。 如果

21、要进行单胞参数固定时进行几何优化运行和要检查点阵偏离如果要进行单胞参数固定时进行几何优化运行和要检查点阵偏离平衡的程度，这些信息是有用的。例如，可进行符合于给定体系理论平衡的程度，这些信息是有用的。例如，可进行符合于给定体系理论基态的固定单胞的点缺陷的超晶胞研究。几何优化后的应力值显示了基态的固定单胞的点缺陷的超晶胞研究。几何优化后的应力值显示了与超单胞近似相关联的弹性效应。与超单胞近似相关联的弹性效应。注意：为计算某种性质，从适当模拟得到的结果文档必须以当前的文件夹注意：为计算某种性质，从适当模拟得到的结果文档必须以当前的文件夹形式出现。形式出现。目的目的: : 介绍介绍CASTEPCAST

22、EP中的结构优化，中的结构优化， 使用立体可视化工具显示等值面使用立体可视化工具显示等值面模块模块: Materials Visualizer, CASTEP: Materials Visualizer, CASTEP前提前提: : 使用晶体建模工具使用晶体建模工具用第一原理预测用第一原理预测AlAsAlAs的晶格参数的晶格参数 内容内容1. 1. 构建构建AlAsAlAs的晶体结构的晶体结构2. 2. 设置并进行设置并进行CASTEPCASTEP计算计算3. 3. 分析结果分析结果4. 4. 比较计算的结构参数和实验数据比较计算的结构参数和实验数据 (1)(1)图示电荷密度图示电荷密度 (2

23、)(2)图示态密度和带结构图示态密度和带结构引言引言 本指南介绍了本指南介绍了CASTEPCASTEP是如何使用量子力学方法来确定材料的晶体结构，使用者将学会如何构建晶体结是如何使用量子力学方法来确定材料的晶体结构，使用者将学会如何构建晶体结构，设定一个构，设定一个CASTEPCASTEP几何优化任务，然后分析计算结果。几何优化任务，然后分析计算结果。背景背景 密度泛函理论密度泛函理论 (DFT)(DFT)在周期性大尺度材料上应用的进展，对材料设计和加工越来越重要。该理论使得在周期性大尺度材料上应用的进展，对材料设计和加工越来越重要。该理论使得研究者能对实验数据进行解释；并从未知晶体的结构性质

24、、结合能和表面分子的活动性确定材料的本征性质研究者能对实验数据进行解释；并从未知晶体的结构性质、结合能和表面分子的活动性确定材料的本征性质。这些理论工具可用于指导新材料的设计，帮助研究者了解内在的化学和物理过程。这些理论工具可用于指导新材料的设计，帮助研究者了解内在的化学和物理过程。注意注意: : 如果你的服务器没有足够快的如果你的服务器没有足够快的CPUCPU，请慎用，请慎用CASTEPCASTEP进行几何优化计算，因为它会占用相当长的时间进行几何优化计算，因为它会占用相当长的时间 。AlAl的分数坐标：的分数坐标：(0 0 0） (1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) （0 1/2

25、 1/2）AsAs的分数坐标：的分数坐标：(3/4 3/4 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. 构建构建AlAsAlAs的晶体结构的晶体结构 空间群是空间群是F-43m 构建一个晶体结构，需要知道该晶体的空间群、晶格参数和晶体的内坐标。对构建一个晶体结构，需要知道该晶体的空间群、晶

26、格参数和晶体的内坐标。对AlAs AlAs 来说来说，空间群是，空间群是F-43mF-43m，空间群代号为，空间群代号为216216。原胞有两个原子，。原胞有两个原子，Al Al 和和As As 的分数坐标分别为的分数坐标分别为(0, (0, 0, 0)0, 0)和和(0.25, 0.25, 0.25)(0.25, 0.25, 0.25)，晶格参数为，晶格参数为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上建立英文目录上建立英文目录D:class3D:class3。按下面步骤。按下面步骤, ,在在Project Explorer Pro

27、ject Explorer 内，建立内，建立AlAsAlAs根根目录。目录。从“开始”或快捷图标 打开MS。找到class3，按“打开”按钮输入AlAs，这将是新的Project的名字。在 Project Explorer中，右击根目录AlAs，选择New | 3D Atomistic Document。右击3D Atomistic document文件，将该文件重新命名为AlAs.xsd。从菜单栏里选择从菜单栏里选择Build / Crystals / Build CrystalBuild / Crystals / Build Crystal。Build Crystal Build Crys

28、tal 对话框显示出来。对话框显示出来。点击点击Enter group Enter group 输入输入216216，按下，按下TAB TAB 按按钮钮( (或在或在Enter groupEnter group中选择中选择F-43m)F-43m)，空间，空间群信息更新为群信息更新为F-43m F-43m 空间群。空间群信息框空间群。空间群信息框中的信息也随着中的信息也随着F-43mF-43m空间群的信息而发空间群的信息而发生变化生变化 。杨碚芳课杨碚芳课选择选择Lattice Parameters 标签，标签，把把a值从值从10.00 变为变为5.662。点击。点击Build 按钮。按钮。单击

29、此图标，然后可旋转晶格，显示其立体结构。一个没有原子的3D 格子显示在格子显示在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的分数坐标：的分数坐标：(0 0 0） (1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) （0 1/2 1/2）AsAs的分数坐标：的分数坐标：(3/4 3/4 3/4） (1/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 1/4) （3/4 1/4 1/4）输入

30、几个原子？输入几个原子？Ba3Si6O9N4作业作业1 1：解释符号：解释符号和群和群F-43mF-43m的意思的意思，给出参考书。，给出参考书。需输入需输入3 3个个BaBa 2 2个个SiSi 2 2个个N N 3 3个个O O * * 从菜单栏中选择从菜单栏中选择Build / Add AtomsBuild / Add Atoms。通过。通过Add Atoms Add Atoms 对话框，我们可以把原子添加到指定的对话框，我们可以把原子添加到指定的位置，其对话框如下：位置，其对话框如下： 在Add Atoms对话框中选择Options标签，确定Coordinate system为Frac

31、tional。* * 如上所示，选择如上所示，选择AtomsAtoms标签，通过周期表，在标签，通过周期表，在ElementElement文本框中输入文本框中输入AlAl， 再输入再输入Al 的分数坐标的分数坐标 (0, 0, 0)，然后按下然后按下AddAdd按钮，铝原子就添加按钮，铝原子就添加到结构中了。到结构中了。 * * 从菜单栏中选择从菜单栏中选择View / Display StyleView / Display Style。在打开的对话框中，选择。在打开的对话框中，选择Ball and stickBall and stick显示方式。显示方式。* * 同前，在同前，在Elemen

32、tElement文本框中键入文本框中键入AsAs。在。在a, b, ca, b, c文本框中键入文本框中键入0.250.25。按按AddAdd按钮，这样按钮，这样AsAs也加入到晶格中。关闭对话框。也加入到晶格中。关闭对话框。说明：上面操作虽然只加入一个说明：上面操作虽然只加入一个AlAl、一个、一个AsAs，但群的对称操作在晶体中补充了剩余，但群的对称操作在晶体中补充了剩余的的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方式显示，可重复前面步骤，改显示方式为方式显示，可重复前面步骤，改显示方式为Ball and StickB

33、all and Stick。单击此图标，出现添加原子Add Atoms 对话框。选择原子名称，输入分数坐标，按Add，则原子添加到晶体结构图中。重复操作，直到添加完晶胞中的所有原子。关闭Add Atoms框。前面的添加原子操作也可用下面图标来实现。这里不前面的添加原子操作也可用下面图标来实现。这里不再重复。再重复。* * 从上面的从上面的AlAsAlAs晶体结构看出，近邻晶胞中的原子也显示出来。这种显示晶体结构看出，近邻晶胞中的原子也显示出来。这种显示表示了表示了AlAsAlAs晶体中键的拓扑结构。当然，可以通过重新建造晶体结构来移去这晶体中键的拓扑结构。当然，可以通过重新建造晶体结构来移去这

34、些些近邻晶胞中的近邻晶胞中的原子。原子。 从菜单栏中选择从菜单栏中选择Build / Crystals / Rebuild Crystal.，打开对话框，按下，打开对话框，按下Rebuild按钮。在显示出的晶体结构中那按钮。在显示出的晶体结构中那些原子就被移走了。已经把显示方式定为些原子就被移走了。已经把显示方式定为Ball and Stick。按下面图示步骤，保存结果。按下面图示步骤，保存结果。 3D Viewer 3D Viewer 内的晶体结构是传统的晶胞内的晶体结构是传统的晶胞conventional conventional (unit) cell(unit) cell，显示了晶格的

35、立方对称性。，显示了晶格的立方对称性。CASTEP CASTEP 利用了晶格的利用了晶格的对称性，可以使用只包含两个原子的原胞对称性，可以使用只包含两个原子的原胞primitive (unit) primitive (unit) cellcell来进行计算，而晶胞包含了来进行计算，而晶胞包含了8 8 个原子。电荷密度、键长个原子。电荷密度、键长和每个原子的总能量将是一样的，而不管这个和每个原子的总能量将是一样的，而不管这个unit cellunit cell是如是如何被定义的。这样，使用原胞，原子数较少，计算量大大减小，何被定义的。这样，使用原胞，原子数较少，计算量大大减小，计算时间将被缩短。

36、计算时间将被缩短。Note：在计算磁性体系时，使用了自旋极化。这时要注意，：在计算磁性体系时，使用了自旋极化。这时要注意，电荷密度自旋波的周期是原胞的数倍。电荷密度自旋波的周期是原胞的数倍。* 选择菜单栏里的选择菜单栏里的Build / Symmetry / Primitive Cell。模型文件模型文件(3D Viewer)显示为原胞显示为原胞(primitive cell)。 AlAs的原胞 不同角度 在晶体图上按右键，选在晶体图上按右键，选Label，在出现的对话框中选，在出现的对话框中选ElementSymbol。按按apply，晶胞上显示元素符，晶胞上显示元素符号。号。2. 设置设置

37、CASTEP CASTEP 计算任务计算任务 从工具栏中选择从工具栏中选择CASTEP 工具，再选择工具，再选择Calculation或从菜或从菜单栏中选择单栏中选择Modules | CASTEP |Calculation。CASTEP Calculation对话对话框如下：框如下： 下面我们分两步，先优化下面我们分两步，先优化AlAsAlAs的几何结构，再计算的几何结构，再计算Band Band StructureStructure和和Density of statesDensity of states。(1) 优化优化AlAs晶体结构晶体结构* 把把Task 改为改为Geometry O

38、ptimization，计算精度，计算精度Quality设置为设置为coarse。* 结构优化的默认设置是优化原子坐结构优化的默认设置是优化原子坐标。在本例中，我们不仅要优化原子标。在本例中，我们不仅要优化原子坐标，同时也要优化晶格常数。坐标，同时也要优化晶格常数。* 按下与按下与Task 相关的相关的More按钮，按钮，勾选上勾选上Optimize Cell， 关闭此对话关闭此对话框。框。 当改变计算精度的时候，其它的参当改变计算精度的时候，其它的参数也会自动作相应的变化。数也会自动作相应的变化。* * 选择选择ElectronicElectronic标签栏，按下标签栏，按下MoreMore

39、按钮。在按钮。在SCFSCF对话框里作如下设置，将对话框里作如下设置，将ChargeCharge由由0.50.5改改为为0.150.15，钩上，钩上Fix occupancyFix occupancy。* * 选择选择PropertiesProperties标签栏，里面的计算任务都标签栏，里面的计算任务都不要选。不要选。* * 选择选择Job Control Job Control 标签栏，按下标签栏，按下MoreMore按钮。在按钮。在CASTEP Job CASTEP Job Control Options Control Options 对话框里，改变对话框里，改变 Update int

40、erval Update interval 为为30.0 s30.0 s，关，关闭此对话框。闭此对话框。按下按下Run 按钮，关闭对话框。按钮，关闭对话框。注意，此时注意，此时3D结构为激活窗口。如果激活窗口是文本，结构为激活窗口。如果激活窗口是文本， 则则Run为灰色。为灰色。 几秒钟后，一个新文件夹出现在几秒钟后，一个新文件夹出现在Project Explorer Project Explorer 内，该文件夹包含了所有内，该文件夹包含了所有的计算结果。的计算结果。 如果使用客户端服务器模式，当工作结束时，文件会被传回到如果使用客户端服务器模式，当工作结束时，文件会被传回到客户端。数据传输

41、过程需要一定的时间，与文件的大小有关。客户端。数据传输过程需要一定的时间，与文件的大小有关。Job Explorer Job Explorer 显示了所有正在运行的工作的状态。它显示了很多有用的信息，包括服务器和工作显示了所有正在运行的工作的状态。它显示了很多有用的信息，包括服务器和工作代码。如果需要，也可以通过代码。如果需要，也可以通过Job ExplorerJob Explorer来中止运行工作。来中止运行工作。在工作运行过程在工作运行过程中，四个文件打中，四个文件打开了。这些文件开了。这些文件包含了晶体结构包含了晶体结构、结构优化过程、结构优化过程中模型的更新、中模型的更新、工作参数的设

42、置工作参数的设置和运行状态的信和运行状态的信息，以及关于总息，以及关于总能量、能量变化能量、能量变化、应力、压力和、应力、压力和位移随迭代次数位移随迭代次数变化的图表。变化的图表。计算过程中出现的两个表示能计算过程中出现的两个表示能量收敛的图框。量收敛的图框。查看计算查看计算设置设置 几分钟后，计算结束，出现几分钟后，计算结束，出现Job CompletedJob Completed 提示，表示计算成功。输出文本文档为提示，表示计算成功。输出文本文档为AlAs.castep，包含优化信息，在，包含优化信息，在AlAs CASTEP GeomOpt文件夹中。文件夹中。按下面图示操作，关按下面图示

43、操作，关闭工作窗口中的文件。闭工作窗口中的文件。 (2) (2) 接下来，利用优化过的接下来，利用优化过的AlAsAlAs结构，计算结构，计算AlAsAlAs的的Band StructureBand Structure和和Density of Density of statesstates。* * 在结构优化的文件中，双击在结构优化的文件中，双击AlAs.xsdAlAs.xsd、AlAs.castepAlAs.castep两个文件。这两个文件出现在两个文件。这两个文件出现在工作窗口中。按下面图示设定计算任务，工作窗口中。按下面图示设定计算任务，直至直至RunRun。出现新的文件出现新的文件夹夹

44、* 打开新文件夹打开新文件夹AlAs CASTEP Properties，双击，双击AlAs_BandStr.castep，这，这此文件出现在工作窗口中。此文件出现在工作窗口中。* 按图示操作，显示按图示操作，显示AlAs的的Band Structure。(3) (3) 计算结束后，查看计算结束后，查看AlAsAlAs的的Band StructureBand Structure和和Density of statesDensity of states的计算结果。的计算结果。可用工具可用工具 放大、缩放大、缩小能带图。小能带图。 能带图下方的字母表示布里渊区的高对称点。单击能带图下方的字母表示布里

45、渊区的高对称点。单击AlAs.xsd文件，使其为当前活文件，使其为当前活动窗口。再按图示点击计算设置动窗口。再按图示点击计算设置 ，使当前状态为，使当前状态为Band Structure。点击下方的点击下方的More，则显示出对称点的坐标。，则显示出对称点的坐标。12* 在新文件夹在新文件夹AlAs CASTEP Properties中双击中双击AlAs_DOS.castep，这此文件，这此文件出现在工作窗口中。出现在工作窗口中。* 按图示操作，显示按图示操作，显示AlAs的的DOS。可用工具可用工具 放大、缩放大、缩小能带图。小能带图。(4) (4) 前面的结构优化显示，前面的结构优化显示，

46、AlAsAlAs的总能量随迭代次数振荡。下面改计算方法进行结构优化，避的总能量随迭代次数振荡。下面改计算方法进行结构优化，避免振荡。计算步骤与前面类似，图示如下。免振荡。计算步骤与前面类似，图示如下。结构优化过程，可见随结构优化过程，可见随着迭代次数的增加，着迭代次数的增加，AlAsAlAs的总能量逐渐减的总能量逐渐减小。小。* 按下面图示步骤，保存计算结果，关闭工作窗口中的文件。按下面图示步骤，保存计算结果，关闭工作窗口中的文件。(5) (5) 同样，利用优化过的同样，利用优化过的AlAsAlAs结构，计算结构，计算AlAsAlAs的的Band StructureBand Structure

47、和和Density of statesDensity of states。*在新出现的文件夹中，打开在新出现的文件夹中，打开AlAs.castep、AlAs.xsd两个文件。这两个文件都出现在工两个文件。这两个文件都出现在工作窗口中。作窗口中。作业2：在.CASTEP文件中找到并记下总电子能量，与前面优化后的总电子能量比较，哪个应该小？* 设置计算任务，按设置计算任务，按Run进行计算，关闭对话框。进行计算，关闭对话框。(6) (6) 计算结束后，查看计算结束后，查看AlAsAlAs的的Band StructureBand Structure和和Density of statesDensity

48、 of states的计算结果。的计算结果。* 计算结束后，出现提示，关闭。计算结束后，出现提示，关闭。* 保存计算结果，清理工作窗口。保存计算结果，清理工作窗口。* 在新出现的在新出现的AlAs CASTEP Properties文件夹中，双击文件夹中，双击AlAs_BandStr.castep，该文件出现在工作，该文件出现在工作窗口中。窗口中。* 按图示操作，显示带结构。按图示操作，显示带结构。* 同样，双击同样，双击AlAs_DOS.castep，显示态密度。，显示态密度。说明：说明： 分析工具可以用来显示态密度分析工具可以用来显示态密度(DOS)(DOS)和能带结构。和能带结构。 能带

49、结构图显示了布里渊区内沿着高对称方向电子能量对能带结构图显示了布里渊区内沿着高对称方向电子能量对k k矢的依赖性。这些矢的依赖性。这些图提供了一个对材料的电子结构进行定性分析的非常有用的工具。譬如，与近自由的图提供了一个对材料的电子结构进行定性分析的非常有用的工具。譬如，与近自由的s s 、p p 电子构成的能带相比，很容易鉴别出电子构成的能带相比，很容易鉴别出d d、f f电子构成的窄带。电子构成的窄带。 DOS DOS 和和PDOS PDOS 图给出了材料的电子结构的一个快速定性图像，有时候它们可以直图给出了材料的电子结构的一个快速定性图像，有时候它们可以直接和实验光谱结果相关联。接和实验

50、光谱结果相关联。 CASTEPCASTEP的主要输出结果文件的主要输出结果文件AlAs.castep AlAs.castep 包含了有限的能带结构和包含了有限的能带结构和DOS DOS 信息，更多的详信息，更多的详细信息包含在细信息包含在AlAs_BandStr.castep AlAs_BandStr.castep 文件内。文件内。 打开打开Analysis Analysis 对话框，选上对话框，选上Band structureBand structure。从这个对话框可以看出，可以把能带。从这个对话框可以看出，可以把能带结构和态密度信息显示在同一个图中。在结构和态密度信息显示在同一个图中。在

51、DOSDOS部分，选上部分，选上Show DOSShow DOS，单击，单击ViewView，出现的，出现的图包含了带结构和图包含了带结构和DOSDOS两种信息。当然，可以分别显示能带结构和态密度。两种信息。当然，可以分别显示能带结构和态密度。 可以按图片、数据格式输出图文件，数据可由可以按图片、数据格式输出图文件，数据可由ExcelExcel等软件读取。等软件读取。还可以借助还可以借助CASTEP CASTEP 来计算很多其他性质，比如反射率和介电函数等等。来计算很多其他性质，比如反射率和介电函数等等。DFT计算带隙计算带隙Eg，数值偏小。比，数值偏小。比较下图可知，计算精度高，较下图可知，

52、计算精度高，Eg大。大。(7) (7) 比较两次计算的结果比较两次计算的结果12431.2961.762作业作业2 2：比较两次计算出的总电子能量：比较两次计算出的总电子能量3 3 分析结果分析结果当结果文件被传输回来，会得到下列数个文件：当结果文件被传输回来，会得到下列数个文件： AlAs.xsd AlAs.xsd 最后的优化结构最后的优化结构 AlAs Trajectory.xtd - AlAs Trajectory.xtd - 一个轨迹文件，一个轨迹文件， 包含了每一个优化步骤后的结构包含了每一个优化步骤后的结构 AlAs.castep AlAs.castep 包含了优化信息的输出包含了

53、优化信息的输出 文本文件文本文件 AlAs.param AlAs.param 模拟所用的输入参数模拟所用的输入参数 计算任何一个性质，都会产生计算任何一个性质，都会产生.param .param 和和.castep .castep 文件。文件。 在在AlAs AlAs 结构中，由于对称性的存在，受力为结构中，由于对称性的存在，受力为0 0，但是应力的大小取决于晶格，但是应力的大小取决于晶格参数。这样，参数。这样，CASTEP CASTEP 就会努力去最小化系统的总能量和应力。因此，为保证计算能够合适就会努力去最小化系统的总能量和应力。因此，为保证计算能够合适地完成，检查压力收敛是非常重要的。地

54、完成，检查压力收敛是非常重要的。 在在Project Explorer 内，双击内，双击AlAs.castep ，将其激活为当前工作文件。选择菜单栏里，将其激活为当前工作文件。选择菜单栏里的的Edit | Find. ，在文本框中输入，在文本框中输入“completed successfully”，按下，按下Find Next 按钮，按钮，AlAs.castep文件滚动。文件滚动。 看到一个含有两行的表格，最后一列的每一行都显示为看到一个含有两行的表格，最后一列的每一行都显示为Yes，这表明计算成功地，这表明计算成功地结束。结束。 开始创建晶胞时，就知道晶格长度为开始创建晶胞时，就知道晶格长度

55、为5.6622 。因此，可以把能量最小化后的晶格长度与。因此，可以把能量最小化后的晶格长度与初始的实验数据相比较。实验的晶格长度基于晶胞结构，而不是原胞，因此需要将现在的原初始的实验数据相比较。实验的晶格长度基于晶胞结构，而不是原胞，因此需要将现在的原胞转化为晶胞，再与实验数据比较。胞转化为晶胞，再与实验数据比较。 4. 比较比较AlAs晶体结构的计算数据与实验数据晶体结构的计算数据与实验数据* 双击双击AlAs.xsd 使其为当前工作文件使其为当前工作文件* 从菜单栏里选择从菜单栏里选择Build / Symmetry / Conventional Cell，晶胞显示出来。，晶胞显示出来。* 有数种方法看到晶格长度有数种方法看到晶格长度，一种就是打开，一种就是打开Lattice Parameters 对话框。在对话框。在模型文件模型文件(3D Viewer)上右上右击，选择击，选择Lattice Parameters。格矢大约为。格矢大约为5.721128 。* 另一种简单的方法是在左侧另一种简单的方法是在左侧Properties中选择中选择Lattice 3D，其中显示晶格常数为其中显示晶格常数为5.72113 。 误差大约是误差大约是-0.5%。这在。这在1-2%典型误差范