计算材料学实验（燕友果）实验七利用 material studio研究晶体材料性能

1、实验七 利用 Material Studio研究晶体材料性能一、实验目的1、了解Material Studio(MS)软件中有关固体材料科学设计各个模块功能；2、掌握在 MS软件Materials Visualizer 子模块中创建晶体结构模型；3、掌握在 MS 材料计算软件中研究晶体材料性质的方法；4、掌握查看和分析晶体材料属性的方法。5、分析AlAs晶体的晶格常数、态密度、能带图等性质. 二、实验原理及方法 1.1 CASTAP 介绍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程序，其使用了密度泛函(DFT）平面波赝势方法，进行第一原理量子力学计算，以探索如半导体，陶瓷，金

2、属，矿物和沸石等材料的晶体和表面性质。Material Studio使用组件对话框中的CASTAP选项允许准备，启动，分析和监测CASTAP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），作业控制和文档控制。分析：允许处理和演示CASTAP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。CASTAP计算可以进行单个点的能量计算，几何优化或分子动力学计算，也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。CASTAP能量任务允许计算特定体系的总能量以及物理性质。1.2 CA

3、STAP几何优化任务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。1.3 CASTAP动力学任务CASTAP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。 1.4 CASTAP性质任务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电子和结构性质。可以产生的性质如下：1） 态密度（DOS）：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 网格上的电子本征值。2） 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

4、带和导带的布里渊区高对称性方向电子本征值。3）光学性质：计算电子能带间转变的矩阵元素。CASTAP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。4）布局数分析：进行Mulliken 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。5）应力：计算应力张量，并写入seedname.castep 文档。 三、实验仪器Materials Studio 软件、计算机。 四、实验步骤 4.1、构建晶体模型4.2、晶体模型计算对对称性较高的晶体，计算过程中尽量选用原胞计算，以便节约时间；将晶体对称性施加到所构建的晶体模型中，在创建晶

5、体结构任务的第五步的find symmetry 对话框中选择impose symmetry；然后选择symmetry 工具栏中的primitive cell。开始结构优化。在modules 菜单下选择CASTEP 方法的calculation；在新对话框的setup 中的task 下拉列表中选择geometry optimization，计算精度根据计算的时间要求及单胞中的原子个数，一般选为fine；函数选默认的GGA-PBE 方法。性质计算。在setup 的同级对话框中选择properties，CASTEP 可完成的性质计算及计算过程中的计算精度控制等都可以在本对话框中进行选择。然后点击ru

6、n，开始进行计算。（本实验将同时完成结构优化和性质计算）。任务完成后，打开扩展名为.castep 的文件，在结构优化完成后，得到平衡状态下的晶格常数、晶胞体积、以及原子布居数、化学键布居数等结果。将优化后的晶体结构作为当前活动窗口，在modules菜单下选择CASTEP 方法的analysis 工具，可以分析出已计算的晶体性质。五 计算结果分析1.AlAs模型构建计算参数选择：空间群是F-43m或序号216；元素Al和As的分数坐标分别为（0 0 0）和（0.25 0.25 0.25），晶格参数为5.6622埃。 第一步是构建晶格。 从菜单中选择Build | Crystals | Build

7、 Crystal，然后显示出Build Crystal对话框，如下：在Enter group中选择F-43m或在Enter group中单击，然后键入216，再按下TAB键.(空间群信息框中的信息也随着F-43m空间群的信息而发生变化 ) 。选择Lattice Parameters标签，把a的数值从10.00改为5.662。单击Build按钮。一个没有原子的晶格就在3D model document中显示出来。从菜单栏中选择Build | Add Atoms。通过它，我们可以把原子添加到指定的位置，其对话框如下：在Add Atoms对话框中选择Options标签，确定Coordinate sy

8、stem为Fractional。如上所示。选择Atoms标签，在Element文本框中键入Al，然后按下Add按钮，铝原子就添加到结构中了。在Element文本框中键入As。在a, b, c文本框中键入0.25。按Add按钮。关闭对话框。 原子添加完毕，我们再使用对称操作工具来构建晶体结构当中剩余的原子。这些原子也显示在邻近的单胞中。当然，我们也可以通过重新建造晶体结构来移去这些原子。从菜单栏中选择Build | Crystals | Rebuild Crystal.，按下Rebuild按钮。在显示出的晶体结构中那些原子就被移走了。我们可以把显示方式变为Ball and Stick。在模型文档

9、中右键单击，选择Display Styles，按下Ball and stick按钮。关闭对话框。 在3D视窗中的晶体结构是晶胞，它显示的是格子的立方对称。如果存在的话，CASTEP使用的则是格子的全部对称。既包含有两个原子的原胞和包含有8个原子的晶胞是相对应的.不论单胞如何定义，电荷密度，键长，每一类原子的总体能量都是一样的，并且由于使用了较少的原子 ,使计算时间得以减少。 从菜单栏中选择Build | Symmetry | Primitive Cell。从工具栏中选择CASTEP 工具，再选择Calculation或从菜单栏中选择Modules | CASTEP |Calculation。把

10、Task改为Geometry Optimization ，把Quality改为coarse。 优化当中的默认设置是优化原子坐标.尽管如此,在本例中我们不仅要优化原子坐标也要优化晶格. 按下Task右侧的More.按钮， 选中Optimize Cell。关闭对话框.当我们改变Quality时,其他的参数也会有所改变来反映Quality的改变。选择Properties标签，可从中指定我们想要计算的属性。选中Band structure和Density of states。另外，我们也可以具体指明job control选项，例如实时更新等。选择Job Control标签，选中More.按钮。在CAS

11、TEP Job Control Options对话框中，把Update的时间间隔改为30秒。关闭对话框。 按下Run按钮，关闭对话框。 几秒钟之后，在Project Explorer中出现一个新的文件，它包含所有的运行结果。一个工作日志窗口也会出现，它包含工作的运行状态。构建好的AlAs原胞如图1所示图 1 AlAs的原胞图 2 AlAs电子密度等能面图3 AlAs能带结构能带结构分析：图中能量值为0的虚线为费米能级，位于费米能级以下的能带为价带，位于费米能级以上的能带为导带。图4 AlAs能态密度能态密度分析：如图中所示，能量为0的虚线为费米能级，右侧为导带的能态密度情况，左侧为价带的能带密

12、度情况。由图中的能态密度情况，可以看出低能量电子的相对数量少，高能量电子的相对数目多。由图中的能态可以计算不同能态间的能量查，从右侧至左侧，依次为S、K、L.态，可以粗略计算出不同态的能量差。2.SiO2模型构建计算参数选择：空间群是P121，序号152；元素Si 和O的分数坐标分别为(0 0.49 0.67)和(0.42 0.23 0.18)，晶格参数为导入：a=b=4.913 c=5.4052 优化后：a=b= 5.091621 c= 5.601136。构建好的二氧化硅原胞如图5所示。 图 5 二氧化硅的原胞结构图利用MS 中的CASTEP 进行优化，能量变化和收敛情况如下：图 6 优化过程中能量变化图 7 优化过程中收敛情况变化图 8 SiO2的能带图能带结构分析：图中能量值为0的虚线为费米能级，位于费米能级以下的能带为价带，位于费米能级以上的能带为导带。 图 9 SiO2的局域态密度图PDOS能态密度分析：如图中所示，能量为0的虚线为费米能级，右侧为导带的能态密度情况，左侧为价带的能带密度情况。由图中的能态