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1、计算材料学主要内容：计算材料学主要内容：密度泛函理论基础密度泛函理论基础 计算模型的建立计算模型的建立 晶体结构优化晶体结构优化 表面吸附表面吸附 电荷密度分布电荷密度分布(fnb)化学反应中的过渡态搜索化学反应中的过渡态搜索 气体扩散气体扩散 X-ray 结构精修结构精修 教员：教员：郝绿原郝绿原 3600834 傅正平傅正平(zhn pn) 李震宇（理论）李震宇（理论） 张文华（理论）张文华（理论）资料资料(zlio)：http:/ sh)(i sh)第三页，共66页。关于关于CASTAP CASTAP CASTAP CASTAP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
2、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力）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面学计算，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。性质。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，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，CASTAP CASTAP可用于有效研究点缺陷（
3、空位，间隙和置换杂质）和扩展缺陷（如晶界和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。位错）的性质。Material Studio Material 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。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(ynsh)CASTAP(ynsh)CASTAP
4、计算结果。这一工具提供加速整体计算结果。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。直观化以及键结构图，态密度图形和光学性质图形。第四页，共66页。CASTAPCASTAP的任务的任务 CASTAP CASTAP计算是要进行的三个任务中的一个，即单个点的能量计算，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个以便产生特定的几何优化或分子动力学。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
5、性能。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，有模型文件，有大量方法规定一种结构：可使用构建大量方法规定一种结构：可使用构建(u jin)(u jin)晶体（晶体（Build Build Crystal)Crystal)或构建或构建(u jin)(u jin)真空板真空板(Build Vacuum Stab)(Build Vacuum Stab)来构建来构建(u(u jin)jin)，也可从已经存
6、在的的结构文档中引入，还可修正已存在的结构。，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。注意：注意：CASTAP CASTAP仅能在仅能在3D3D周期模型文件基础上进行计算，必须构建周期模型文件基础上进行计算，必须构建(u(u jin)jin)超单胞，以便研究分子体系。超单胞，以便研究分子体系。提示：提示：CASTAP CASTAP计算所需时间随原子数平方的增加而增加。因此，建议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，可使用用最小的原胞来描述体系，可使用BuildSymmetryPrimitive CellBuildSymmetryPrimitiv
7、e Cell菜菜单选项来转换成原胞。单选项来转换成原胞。第五页，共66页。CASTAP中选择一项任务1 从模块面板（Module Explorer)选择CASTAPCalculation。2 选择设置表。3 从任务列表(li bio)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，必须选择计算类型模型文件一旦确定，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，时间步长和步数。选择运行计算的磁盘并开始括温度，时间步长和步数。选择运行计算的磁盘并开始CASTAPCASTAP作业。作
8、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作业的文档返回用作业的文档返回用户，在项目面板适当位置显示户，在项目面板适当位置显示(xinsh)(xinsh)。这些文档的一些进。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。一步处理要求获得可观察量如光学性质。第六页，共66页。CASTAPCASTAP能量任务能量任务CASTAPCASTAP能量任务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
9、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)允允许目测电荷密度的立体分布；还能报告计算中使用的许目测电荷密度的立体分布；还能报告计算中使用的Monkhorst-Monkhorst-ParkPark的的k k点的电子能量，因此在点的电子能量，因此在CASTAPCASTAP分析分析(fnx)(fnx)中可生成态密中可生成态密度图。度图。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是
10、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状态方程（即压力高对称性体系的状态方程（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单位是电子伏特(eV)(eV)，各种能量单位的换算，各种能量单位的换算关系见关系见Mohr.P.J(2000).Mohr.P.J(2000).1 eV=0.03
11、6749308 Ha=23.0605 kcal/mole=96.4853 kJ/mole1 eV=0.036749308 Ha=23.0605 kcal/mole=96.4853 kJ/mole第七页，共66页。CASTAPCASTAP几何几何(j h)(j h)优化优化任务任务 CASTAP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和晶胞参数使结构的总能量最小化。CASTAP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(wib)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
12、些情况下反复迭代内部应力张量直到复迭代内部应力张量直到与所施加的外部应力相等。与所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型结构与真实结构紧密相似似(xin s)。利用。利用CASTAP计算的晶格参数计算的晶格参数精度列于右图。精度列于右图。第八页，共66页。状态方程计算状态方程计算(j sun)在所施加静压力下几何优化可用于确定在所施加静压力下几何优化可用于确定(qudng)(qudng)材料的体模量材料的体模量B B和对压力的导数和对压力的导数B=dB/dPB=dB/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
13、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：使用几何优化对话框中的应力列表将外部压力固定。通过实验：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压力下的单胞体积。随后的进行几何优化可以找到在此压力下的单胞体积。随后的P-V P-V 数据数据分析与实验研究精确一致。描述分析与实验研究精确一致。描述EOSEOS选择分析表达式，其参数适于选择分析表达式，其参数适于计算数据点。最流行的计算数据点。最流行的EOSEOS形式是三阶形式是三阶Birch-Murnaghan Birch-Murnaghan 方
14、程：方程：式中V0 为平衡体积。Cohen 等进行了EOS各种(zhn)解析式的的详细比较研究。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。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利用金刚石压砧获得的实验值通常在0-30GPa0-30GPa范围内，因此推荐理论范围内，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，用于生成于生成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数据序列的压力值可能是不均匀的，在低压力范围要
15、求更精确采样以便获得体模量精确值。精确采样以便获得体模量精确值。P-V 第九页，共66页。几何几何(j h)优化方法优化方法 在默认条件下，CASTAP使用BFGS几何优化方法。该方法通常提供了寻找(xnzho)最低能量结构的最快途径，这是支持CASTAP单胞优化的唯一模式。衰减分子动力学（Damped molecular dynamics）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(biomin)的体系如分子晶体或表面(biomin)分子与BFGS同样有效。第十页，共66页。CASTAPCASTAP动力学任务动力学任务 CASTAP CASTAP动力学任务允许模拟结构中原子在计算力
16、的影响下将如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。何移动。在进行在进行CASTAPCASTAP动力学计算以前，可以选择热力学系综和相应参动力学计算以前，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。数，定义模拟时间和模拟温度。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）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。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
17、或者是随机性的Langevin Langevin 系综）系综）可模拟该条件。可模拟该条件。定义时间步长（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的不稳定和不精确(jngqu)(jngqu)。典型地，这表示为运动常数的系统。典型地，这表示为运动常数的系统偏差。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注意：量子力学分子动力学计算
18、要求比力场动力学使用更小的时间步长。步长。动力学过程的约束动力学过程的约束CASTAPCASTAP支持支持Langevin NVTLangevin NVT或或NVENVE动力学过程的线性约束。然而，借动力学过程的线性约束。然而，借助助Material StudioMaterial Studio界面可以近似使用以下两种更基本的约束：界面可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seedname.cell seedname.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。第十一页，共66页。CASTAPCASTAP性质任务性质任务 CA
19、STAP CASTAP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质。可以产生的性质如下：电子和结构性质。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）：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
20、称性方向电子本征值。导带的布里渊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：计算电子能带间转变的矩阵元素。CASTAPCASTAP分析对话可用于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。生成包含可以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算所要求(yoqi)(yoqi)的分量。的分量。*
21、应力：计算应力张量，并写入应力：计算应力张量，并写入seedname.castep seedname.castep 文档。文档。第十二页，共66页。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基态(j ti)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。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。第十三页，共66页。目的目的:介绍介绍(jisho)CASTEP(jisho)CASTEP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
22、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用第一(dy)(dy)原理预测原理预测AlAsAlAs的晶格参的晶格参数数 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)图示电荷图示电荷(dinh)(dinh)密度密度 (2)(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
23、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，设定一个将学会如何构建晶体结构，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、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、结合能和表面
24、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。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，因为它会占用相当进行几何优化计算，因为它会占用相当长的时间长的时间 。第十四页，共66页。AlAl的分数的分数(fnsh)(fnsh)坐标：坐标：(0 0 0(0 0 0）(1/2 1/2 0)(1/2 0 1/2)(1/2 1/2 0)(1/2
25、0 1/2)（0 1/2 1/20 1/2 1/2）AsAs的分数的分数(fnsh)(fnsh)坐标：坐标：(3/4 3/4 3/4(3/4 3/4 3/4）(1/4 1/4 3/4)(1/4 3/4 1/4)(1/4 1/4 3/4)(1/4 3/4 1/4)（3/4 1/4 1/43/4 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(u jin)AlAs(u j
26、in)AlAs的晶体的晶体结构结构 空间空间(kngjin)群群是是F-43m第十五页，共66页。构建构建(u jin)(u jin)一个晶体结构，需要知道该晶体的空间群、晶格参数和晶一个晶体结构，需要知道该晶体的空间群、晶格参数和晶体的内坐标。对体的内坐标。对AlAs AlAs 来说，空间群是来说，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。原胞有两个原子，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，晶格参数为数为5.6622.
27、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 Project Explorer 内，建立内，建立AlAsAlAs根目录。根目录。从“开始”或快捷图标 打开MS。第十六页，共66页。找到class3，按“打开(d ki)”按钮输入(shr)AlAs，这将是新的Project的名字。第十七页，共66页。在 Project Explorer中，右击根目录AlAs，选择(xunz)New|3D Atomistic Document。右击3D At
28、omistic document文件(wnjin)，将该文件(wnjin)重新命名为AlAs.xsd。第十八页，共66页。从菜单栏里选择从菜单栏里选择Build/Crystals/Build CrystalBuild/Crystals/Build Crystal。Build Crystal Build Crystal 对话框显示对话框显示(xinsh)(xinsh)出来。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，空间群信息间
29、群信息(xnx)(xnx)更新为更新为F-43m F-43m 空间群。空间群。空间群信息空间群信息(xnx)(xnx)框中的信息框中的信息(xnx)(xnx)也随着也随着F-43mF-43m空间群的信息空间群的信息(xnx)(xnx)而发而发生变化生变化 。杨碚芳课杨碚芳课第十九页，共66页。选择选择Lattice Parameters 标签标签(bioqin)，把，把a值从值从10.00 变为变为5.662。点击。点击Build 按钮。按钮。第二十页，共66页。单击此图标，然后可旋转晶格(jn)，显示其立体结构。一个没有原子的3D 格子(g zi)显示在3D Atomistic 文件里。As
30、Al?第二十一页，共66页。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的分数的分数(fnsh)(fnsh)坐标：坐标：(0 0 0(0 0 0）(1/2 1/2 0)(1/2 0 1/2)(1/2 1/2 0)(1/2 0 1/2)（0 1/2 1/20 1/2 1/2）AsAs的分数的分数(fnsh)(fnsh)坐标：坐标：(3/4 3/4 3/4(3/4 3/4 3/4）(1/4 1/4 3/4)(1/4 3/4 1/4)(1/4
31、1/4 3/4)(1/4 3/4 1/4)（3/4 1/4 1/43/4 1/4 1/4）输入几个输入几个(j)原子原子？Ba3Si6O9N4作业作业(zuy)1(zuy)1：解：解释符号和群释符号和群F-43mF-43m的意思，给出参考的意思，给出参考书。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第二十二页，共66页。*从菜单栏中选择Build/Add Atoms。通过Add Atoms 对话框，我们可以把原子添加到指定的位置(wi zhi)，其对话框如下：在Add Atoms对话框中选择(xunz)Options标签，确定Coordinate
32、 system为Fractional。第二十三页，共66页。*如上所示，选择如上所示，选择(xunz)Atoms(xunz)Atoms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 Al 的分数坐标的分数坐标(0,0,0)(0,0,0)，然后按下，然后按下AddAdd按钮，铝原子就添加到结构中了。按钮，铝原子就添加到结构中了。第二十四页，共66页。*从菜单栏中选择(xunz)View/Display Style。在打开的对话框中，选择(xunz)Ball and stick显示方式。第二十五页，共66页。*同前，在同前，在
33、ElementElement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也加入也加入(jir)(jir)到晶格中。关闭对话框。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，但群的对称操作在晶体中补充了剩余的余的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方式显示方式显示(xinsh)(xinsh)，可重复前面步骤，改显示，可重复前面步骤，改显
34、示(xinsh)(xinsh)方式为方式为Ball and StickBall and Stick。第二十六页，共66页。单击此图标，出现添加原子(yunz)Add Atoms 对话框。选择原子(yunz)名称，输入分数坐标，按Add，则原子(yunz)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(yunz)。关闭Add Atoms框。前面的添加前面的添加(tin ji)原子操作也可用下面图标来实现。这原子操作也可用下面图标来实现。这里不再重复。里不再重复。第二十七页，共66页。*从上面的从上面的AlAsAlAs晶体晶体(jngt)(jngt)结构看出，近邻晶胞中的原子也显示出结构
35、看出，近邻晶胞中的原子也显示出来。这种显示表示了来。这种显示表示了AlAsAlAs晶体晶体(jngt)(jngt)中键的拓扑结构。当然，可以中键的拓扑结构。当然，可以通过重新建造晶体通过重新建造晶体(jngt)(jngt)结构来移去这些近邻晶胞中的原子。结构来移去这些近邻晶胞中的原子。从菜单栏中选择从菜单栏中选择(xunz)Build/Crystals/Rebuild Crystal.，打开对话，打开对话框，按下框，按下Rebuild按钮。在显示出的晶按钮。在显示出的晶体结构中那些原子就被移走了。已经把体结构中那些原子就被移走了。已经把显示方式定为显示方式定为Ball and Stick。第二
36、十八页，共66页。按下面图示步骤按下面图示步骤(bzhu)，保存，保存结果。结果。第二十九页，共66页。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，显示了晶格的立方对称性。，显示了晶格的立方对称性。CASTEP CASTEP 利用了利用了晶格的对称性，可以使用只包含两个原子的原胞晶格的对称性，可以使用只包含两个原子的原胞primitive primitive(unit)cell(unit)cell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。
37、电荷密个原子。电荷密度度(md)(md)、键长和每个原子的总能量将是一样的，而不管这、键长和每个原子的总能量将是一样的，而不管这个个unit cellunit cell是如何被定义的。这样，使用原胞，原子数较是如何被定义的。这样，使用原胞，原子数较少，计算量大大减小，计算时间将被缩短。少，计算量大大减小，计算时间将被缩短。Note：在计算磁性体系时，使用了自旋极化：在计算磁性体系时，使用了自旋极化(j hu)。这时要注。这时要注意，电荷密度自旋波的周期是原胞的数倍。意，电荷密度自旋波的周期是原胞的数倍。第三十页，共66页。*选择菜单栏里的选择菜单栏里的Build/Symmetry/Primit
38、ive Cell。模型文件模型文件(wnjin)(3D Viewer)显示为原胞显示为原胞(primitive cell)。AlAs的原胞 不同(b tn)角度 第三十一页，共66页。在晶体在晶体(jngt)图上按右键，选图上按右键，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，晶胞(jn bo)上上显示元素符号。显示元素符号。第三十二页，共66页。2.设置设置CASTEP 计算计算(j sun)任务任务 从工具(gngj)栏中选择CASTEP 工具(gngj)，再选择Calculation或从菜单栏中选择Modules|CASTEP|C
39、alculation。CASTEP Calculation对话框如下：下面我们分两步，先优化下面我们分两步，先优化AlAsAlAs的几何的几何(j h)(j h)结构，再计算结构，再计算Band Band StructureStructure和和Density of statesDensity of states。第三十三页，共66页。(1)优化优化AlAs晶体结构晶体结构*把把Task 改为改为(i wi)Geometry Optimization，计算精度，计算精度Quality设设置为置为coarse。*结构优化的默认设置是优化原子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
40、化坐标。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。原子坐标，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，其它的当改变计算精度的时候，其它的参数参数(cnsh)也会自动作相应的变化。也会自动作相应的变化。第三十四页，共66页。*选择选择ElectronicElectronic标签栏，按下标签栏，按下MoreMore按钮。在按钮。在SCFSCF对话框里作如对话框里作如下下(rxi)(rxi)设置，将设置，将ChargeCharge由由0.50.5改为改为0.15
41、0.15，钩上，钩上Fix occupancyFix occupancy。*选择选择(xunz)Properties(xunz)Properties标签标签栏，里面的计算任务都不要选。栏，里面的计算任务都不要选。第三十五页，共66页。*选择选择Job Control Job Control 标签标签(bioqin)(bioqin)栏，按下栏，按下MoreMore按钮。在按钮。在CASTEP Job Control Options CASTEP Job Control Options 对话框里，改变对话框里，改变 Update interval Update interval 为为30.0 s3
42、0.0 s，关闭此对话框。，关闭此对话框。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结构结构(jigu)为激活窗口。如果激活窗口为激活窗口。如果激活窗口是文本，是文本，则则Run为灰色。为灰色。第三十六页，共66页。几秒钟后，一个几秒钟后，一个(y)(y)新文件夹出现新文件夹出现在在Project Explorer Project Explorer 内，该文件夹包含了内，该文件夹包含了所有的计算结果。所有的计算结果。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。数据传输过程需要一定的时间，与
43、文件的大小客户端。数据传输过程需要一定的时间，与文件的大小(dxio)有关。有关。Job Explorer Job Explorer 显示了所有正在运行的工作的状态显示了所有正在运行的工作的状态(zhungti)(zhungti)。它显示了很多有用的信。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，也可以通过息，包括服务器和工作代码。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。第三十七页，共66页。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、结构优化过程中结
44、构优化过程中模型的更新、工模型的更新、工作参数的设置和作参数的设置和运行状态的信息，运行状态的信息，以及关于总能量、以及关于总能量、能量变化、应力、能量变化、应力、压力和位移随迭压力和位移随迭代次数变化的图代次数变化的图表。表。计算过程中出现的两个表示能量计算过程中出现的两个表示能量(nngling)收敛的图框。收敛的图框。查看计算查看计算设置设置第三十八页，共66页。第三十九页，共66页。几分钟后，计算几分钟后，计算(j sun)(j sun)结束，出现结束，出现Job Completed Job Completed 提示，表示计算提示，表示计算(j sun)(j sun)成功。输出文本文档
45、为成功。输出文本文档为AlAs.castepAlAs.castep，包含优化信息，在，包含优化信息，在AlAs CASTEP GeomOptAlAs CASTEP GeomOpt文件夹中。文件夹中。按下面图示操作，关闭工作窗口中的文件。按下面图示操作，关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结构结构(jigu)(jigu)，计算，计算AlAsAlAs的的Band StructureBand Structure和和Density of statesDensity of states。*在结构优化的文件中，双击在结构优化的文件中，双击AlAs.xs
46、dAlAs.xsd、AlAs.castepAlAs.castep两个文件。两个文件。这两个文件出现在工作窗口中。按这两个文件出现在工作窗口中。按下面图示设定计算任务下面图示设定计算任务(rn wu)(rn wu)，直至直至RunRun。第四十页，共66页。出现出现(chxin)新新的文件夹的文件夹第四十一页，共66页。*打开新文件夹打开新文件夹AlAs CASTEP Properties，双击，双击AlAs_BandStr.castep，这此，这此文件出现在工作窗口中。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)计算计算(j s
47、un)(j sun)结束后，查看结束后，查看AlAsAlAs的的Band StructureBand Structure和和Density of Density of statesstates的计算的计算(j sun)(j sun)结果。结果。可用工具可用工具 放大、放大、缩小能带图。缩小能带图。第四十二页，共66页。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渊区的高对称点。单击AlAs.xsd文件，使其为当前文件，使其为当前活动窗口。再按图示点击计算设置活动窗口。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Mo
48、re，则显示出对称点的坐标。，则显示出对称点的坐标。12第四十三页，共66页。*在新文件夹在新文件夹AlAs CASTEP Properties中双击中双击AlAs_DOS.castep，这此文件出，这此文件出现现(chxin)在工作窗口中。在工作窗口中。*按图示操作按图示操作(cozu)，显示，显示AlAs的的DOS。可用工具可用工具 放大、放大、缩小能带图。缩小能带图。第四十四页，共66页。(4)(4)前面的结构优化显示，前面的结构优化显示，AlAsAlAs的总能量随迭代次数振荡。下面改计算方法进行的总能量随迭代次数振荡。下面改计算方法进行(jnxng)(jnxng)结构优化，避免振荡。计
49、算步骤与前面类似，图示如下。结构优化，避免振荡。计算步骤与前面类似，图示如下。第四十五页，共66页。结构优化过程，可见结构优化过程，可见(kjin)(kjin)随着迭代次数随着迭代次数的增加，的增加，AlAsAlAs的总能量的总能量逐渐减小。逐渐减小。第四十六页，共66页。*按下面图示步骤，保存(bocn)计算结果，关闭工作窗口中的文件。(5)(5)同样同样(tngyng)(tngyng)，利用优化过的，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 statesDensity of stat
50、es。*在新出现(chxin)的文件夹中，打开AlAs.castep、AlAs.xsd两个文件。这两个文件都出现(chxin)在工作窗口中。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？第四十七页，共66页。*设置计算任务(rn wu)，按Run进行计算，关闭对话框。第四十八页，共66页。(6)(6)计算计算(j sun)(j sun)结束后，查看结束后，查看AlAsAlAs的的Band StructureBand Structure和和Density of statesDensity of states的计算的计算(j sun)(j sun)结