中科大MaterialsStudio培训教程

中科大MaterialsStudio培训教程第一页，共67页。*不支持中文目录*显示扩展名第二页，共67页。CASTEP概述第三页，共67页。关于CASTAPCASTAP是特别为固体材料学而设计的一个现代的量子力学根本程序，其使用了密度泛函(DFT〕平面波赝势方法，进展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外表性质。典型的应用包括外表化学，键构造，态密度和光学性质等研究，CASTAP也可用于研究体系的电荷密度和波函数的3D形式。此外，CASTAP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。MaterialStudio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构造图，态密度图形和光学性质图形。第四页，共67页。CASTAP的任务CASTAP计算是要进展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物理性能。性质为一种附加的任务，允许重新开场已完成的计算以便产生最初没有提出的额外性能。在CASTAP计算中有很多运行步骤，可分为如下几组：*构造定义：必须规定包含所感兴趣构造的周期性的3D模型文件，有大量方法规定一种构造：可使用构建晶体〔BuildCrystal)或构建真空板(BuildVacuumStab)来构建，也可从已经存在的的构造文档中引入，还可修正已存在的构造。注意：CASTAP仅能在3D周期模型文件根底上进展计算，必须构建超单胞，以便研究分子体系。提示：CASTAP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Build\Symmetry\PrimitiveCell菜单项选择项来转换成原胞。第五页，共67页。CASTAP中选择一项任务1从模块面板〔ModuleExplorer)选择CASTAP\Calculation。2选择设置表。3从任务列表中选择所要求的任务。

*计算设置：适宜的3D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，包括温度，时间步长和步数。选择运行计算的磁盘并开场CASTAP作业。*结果分析：计算完成后，相关于CASTAP作业的文档返回用户，在工程面板适当位置显示。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。第六页，共67页。CASTAP能量任务CASTAP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；也能创立电荷密度文件；利用材料观测仪〔MaterialVisualizer)允许目测电荷密度的立体分布；还能报告计算中使用的Monkhorst-Park的k点的电子能量，因此在CASTAP分析中可生成态密度图。对于能够得到可靠构造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状态方程〔即压力-体积，能量-体积关系〕。注意：具有内部自由度的体系中，利用几何优化〔GeometryOptimization)任务可获得状态方程。CASTAP中能量的默认单位是电子伏特(eV)，各种能量单位的换算关系见Mohr.P.J(2000).1eV=0.036749308Ha=23.0605kcal/mole=96.4853kJ/mole第七页，共67页。CASTAP几何优化任务CASTAP几何优化任务允许改善构造的几何，获得稳定构造或多晶型物。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构造的总能量最小化。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。在这些情况下反复迭代内部应力张量直到与所施加的外部应力相等。几何优化处理产生的模型构造与真实构造严密相似。利用CASTAP计算的晶格参数精度列于右图。第八页，共67页。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B和对压力的导数B‘=dB/dP。过程包括计算理论状态方程〔EOS〕，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。通过进展几何优化可以找到在此压力下的单胞体积。随后的P-V数据分析与实验研究准确一致。描述EOS选择分析表达式，其参数适于计算数据点。最流行的EOS形式是三阶Birch-Murnaghan方程：式中V0为平衡体积。Cohen等进展了EOS各种解析式的的详细比较研究。注意：从相应实验中获得的B和B‘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0-30GPa范围内，因此推荐理论研究也在这个范围内。在研究中防止使用负压力值也很重要。此外，用于生成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准确采样以便获得体模量准确值。P-V第九页，共67页。几何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最低能量构造的最快途径，这是支持CASTAP单胞优化的唯一模式。衰减分子动力学〔Dampedmoleculardynamics〕方法是另一种可以选择的方法，该方法对具有平滑势能外表的体系如分子晶体或外表分子与BFGS同样有效。

第十页，共67页。CASTAP动力学任务CASTAP动力学任务允许模拟构造中原子在计算力的影响下将如何移动。在进展CASTAP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。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外表〔NVE动力学〕。然而，在体系与环境进展热交换条件下发生最本质的现象。使用NVT系综〔或者是确定性的Nosé系综或者是随机性的Langevin系综〕可模拟该条件。定义时间步长〔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，如果时间步长过大，那么可导致积分过程的不稳定和不准确。典型地，这表示为运动常数的系统偏差。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。动力学过程的约束CASTAP支持LangevinNVT或NVE动力学过程的线性约束。然而，借助MaterialStudio界面可以近似使用以下两种更根本的约束：质心固定，单个原子固定。使用seedname.cell文档可以利用更复杂的约束。

第十一页，共67页。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构造性质。可以产生的性质如下：*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。*带构造：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。*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。*布局数分析：进展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。*应力：计算应力张量，并写入seedname.castep文档。第十二页，共67页。如果要进展单胞参数固定时进展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，可进展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67页。目的:介绍CASTEP中的构造优化，使用立体可视化工具显示等值面

模块:MaterialsVisualizer,CASTEP

前提:使用晶体建模工具用第一原理预测AlAs的晶格参数

内容1.构建AlAs的晶体构造2.设置并进展CASTEP计算3.分析结果4.比较计算的构造参数和实验数据(1)图示电荷密度(2)图示态密度和带构造引言本指南介绍了CASTEP是如何使用量子力学方法来确定材料的晶体构造，使用者将学会如何构建晶体构造，设定一个CASTEP几何优化任务，然后分析计算结果。背景密度泛函理论(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。该理论使得研究者能对实验数据进展解释；并从未知晶体的构造性质、结合能和外表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。注意:如果你的效劳器没有足够快的CPU，请慎用CASTEP进展几何优化计算，因为它会占用相当长的时间。第十四页，共67页。Al的分数坐标：(000〕(1/21/20)(1/201/2)〔01/21/2〕As的分数坐标：(3/43/43/4〕(1/41/43/4)(1/43/41/4)〔3/41/41/4〕(000）(1/201/2)(1/21/20)（01/21/2）(1/41/43/4)（3/41/41/4）（1/43/41/4）（3/43/43/4）As:(3/43/43/4）=(1/41/41/4）

1.构建AlAs的晶体构造空间群是F-43m第十五页，共67页。构建一个晶体构造，需要知道该晶体的空间群、晶格参数和晶体的内坐标。对AlAs来说，空间群是F-43m，空间群代号为216。原胞有两个原子，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5.6622Å.。第一步是建立晶格。在Ddisk上建立英文目录D:\class3。按下面步骤,在ProjectExplorer内，建立AlAs根目录。从“开始”或快捷图标打开MS。第十六页，共67页。找到class3，按“翻开〞按钮输入AlAs，这将是新的Project的名字。第十七页，共67页。在ProjectExplorer中，右击根目录AlAs，选择New|3DAtomisticDocument。右击3DAtomisticdocument文件，将该文件重新命名为。第十八页，共67页。从菜单栏里选择Build/Crystals/BuildCrystal。BuildCrystal对话框显示出来。点击Entergroup输入216，按下TAB按钮(或在Entergroup中选择F-43m)，空间群信息更新为F-43m空间群。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。杨碚芳课第十九页，共67页。选择LatticeParameters标签，把a值从10.00变为。点击Build按钮。第二十页，共67页。单击此图标，然后可旋转晶格，显示其立体构造。一个没有原子的3D格子显示在3DAtomistic文件里。AsAl?第二十一页，共67页。Atom#OXSITExyzSOFHAl1+34a0001.0As2-34c0.250.250.251.0*endforICSD#67784Al的分数坐标：(000〕(1/21/20)(1/201/2)〔01/21/2〕As的分数坐标：(3/43/43/4〕(1/41/43/4)(1/43/41/4)〔3/41/41/4〕输入几个原子？Ba3Si6O9N4作业1：解释符号和群F-43m的意思，给出参考书。需输入3个Ba2个Si2个N3个O第二十二页，共67页。

*从菜单栏中选择Build/AddAtoms。通过AddAtoms对话框，我们可以把原子添加到指定的位置，其对话框如下：

在AddAtoms对话框中选择Options标签，确定Coordinatesystem为Fractional。第二十三页，共67页。*如上所示，选择Atoms标签，通过周期表，在Element文本框中输入Al，再输入Al的分数坐标(0,0,0)，然后按下Add按钮，铝原子就添加到构造中了。第二十四页，共67页。*从菜单栏中选择View/DisplayStyle。在翻开的对话框中，选择Ballandstick显示方式。第二十五页，共67页。*同前，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，这样As也参加到晶格中。关闭对话框。说明：上面操作虽然只参加一个Al、一个As，但群的对称操作在晶体中补充了剩余的Al原子和As原子(等位原子)。如果新加原子以line方式显示，可重复前面步骤，改显示方式为BallandStick。第二十六页，共67页。单击此图标，出现添加原子AddAtoms对话框。选择原子名称，输入分数坐标，按Add，那么原子添加到晶体构造图中。重复操作，直到添加完晶胞中的所有原子。关闭AddAtoms框。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。第二十七页，共67页。*从上面的AlAs晶体构造看出，近邻晶胞中的原子也显示出来。这种显示表示了AlAs晶体中键的拓扑构造。当然，可以通过重新建造晶体构造来移去这些近邻晶胞中的原子。从菜单栏中选择Build/Crystals/RebuildCrystal...，翻开对话框，按下Rebuild按钮。在显示出的晶体构造中那些原子就被移走了。已经把显示方式定为BallandStick。第二十八页，共67页。按下面图示步骤，保存结果。第二十九页，共67页。3DViewer内的晶体构造是传统的晶胞[conventional(unit)cell]，显示了晶格的立方对称性。CASTEP利用了晶格的对称性，可以使用只包含两个原子的原胞[primitive(unit)cell]来进展计算，而晶胞包含了8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unitcell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。Note：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。第三十页，共67页。*选择菜单栏里的Build/Symmetry/PrimitiveCell。模型文件(3DViewer)显示为原胞(primitivecell)。

AlAs的原胞不同角度

第三十一页，共67页。在晶体图上按右键，选Label，在出现的对话框中选ElementSymbol。按apply，晶胞上显示元素符号。第三十二页，共67页。2.设置CASTEP计算任务

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。CASTEPCalculation对话框如下：

下面我们分两步，先优化AlAs的几何构造，再计算BandStructure和Densityofstates。第三十三页，共67页。(1)优化AlAs晶体构造*把Task改为GeometryOptimization，计算精度Quality设置为coarse。*构造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坐标，同时也要优化晶格常数。*按下与Task相关的More…按钮，勾选上OptimizeCell，关闭此对话框。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。第三十四页，共67页。*选择Electronic标签栏，按下More…按钮。在SCF对话框里作如下设置，将Charge由改为，钩上Fixoccupancy。*选择Properties标签栏，里面的计算任务都不要选。第三十五页，共67页。*选择JobControl标签栏，按下More…按钮。在CASTEPJobControlOptions对话框里，改变Updateinterval为30.0s，关闭此对话框。按下Run按钮，关闭对话框。注意，此时3D构造为激活窗口。如果激活窗口是文本，那么Run为灰色。第三十六页，共67页。

几秒钟后，一个新文件夹出现在ProjectExplorer内，该文件夹包含了所有的计算结果。

如果使用客户端－效劳器模式，当工作完毕时，文件会被传回到客户端。数据传输过程需要一定的时间，与文件的大小有关。JobExplorer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，包括效劳器和工作代码。如果需要，也可以通过JobExplorer来中止运行工作。第三十七页，共67页。在工作运行过程中，四个文件打开了。这些文件包含了晶体结构、结构优化过程中模型的更新、工作参数的设置和运行状态的信息，以及关于总能量、能量变化、应力、压力和位移随迭代次数变化的图表。计算过程中出现的两个表示能量收敛的图框。查看计算设置第三十八页，共67页。第三十九页，共67页。几分钟后，计算完毕，出现‘JobCompleted’提示，表示计算成功。输出文本文档为AlAs.castep，包含优化信息，在AlAsCASTEPGeomOpt文件夹中。按下面图示操作，关闭工作窗口中的文件。(2)接下来，利用优化过的AlAs构造，计算AlAs的BandStructure和Densityofstates。*在构造优化的文件中，双击AlAs.xsd、AlAs.castep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，直至Run。第四十页，共67页。出现新的文件夹第四十一页，共67页。*打开新文件夹AlAsCASTEPProperties，双击AlAs_BandStr.castep，这此文件出现在工作窗口中。*按图示操作，显示AlAs的BandStructure。(3)计算完毕后，查看AlAs的BandStructure和Densityofstates的计算结果。可用工具放大、缩小能带图。第四十二页，共67页。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，使其为当前活动窗口。再按图示点击计算设置，使当前状态为BandStructure。点击下方的More，则显示出对称点的坐标。12第四十三页，共67页。*在新文件夹AlAsCASTEPProperties中双击，这此文件出现在工作窗口中。*按图示操作，显示AlAs的DOS。可用工具放大、缩小能带图。第四十四页，共67页。(4)前面的构造优化显示，AlAs的总能量随迭代次数振荡。下面改计算方法进展构造优化，防止振荡。计算步骤与前面类似，图示如下。第四十五页，共67页。构造优化过程，可见随着迭代次数的增加，AlAs的总能量逐渐减小。第四十六页，共67页。*按下面图示步骤，保存计算结果，关闭工作窗口中的文件。(5)同样，利用优化过的AlAs构造，计算AlAs的BandStructure和Densityofstates。*在新出现的文件夹中，翻开AlAs.castep、AlAs.xsd两个文件。这两个文件都出现在工作窗口中。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67页。*设置计算任务，按Run进展计算，关闭对话框。第四十八页，共67页。(6)计算完毕后，查看AlAs的BandStructure和Densityofstates的计算结果。*计算完毕后，出现提示，关闭。*保存计算结果，清理工作窗口。*在新出现的AlAsCASTEPProperties文件夹中，双击，该文件出现在工作窗口中。第四十九页，共67页。*按图示操作，显示带构造。*同样，双击，显示态密度。第五十页，共67页。说明：分析工具可以用来显示态密度(DOS)和能带构造。能带构造图显示了布里渊区内沿着高对称方向电子能量对k矢的依赖性。这些图提供了一个对材料的电子构造进展定性分析的非常有用的工具。譬如，与近自由的s、p电子构成的能带相比，很容易鉴别出d、f电子构成的窄带。DOS和PDOS图给出了材料的电子构造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。CASTEP的主要输出结果文件AlAs.castep包含了有限的能带构造和DOS信息，更多的详细信息包含在AlAs_BandStr.castep文件内。翻开Analysis对话框，选上Bandstructure。从这个对话框可以看出，可以把能带构造和态密度信息显示在同一个图中。在DOS局部，选上ShowDOS，单击View，出现的图包含了带构造和DOS两种信息。当然，可以分别显示能带构造和态密度。可以按图片、数据格式输出图文件，数据可由Excel等软件读取。还可以借助CASTEP来计算很多其他性质，比方反射率和介电函数等等。第五十一页，共67页。DFT计算带隙Eg，数值偏小。比较以下图可知，计算精度高，Eg大。(7)比较两次计算的结果1243作业2：比较两次计算出的总电子能量第五十二页，共67页。3分析结果当结果文件被传输回来，会得到以下数个文件：•AlAs.xsd–最后的优化构造•AlAsTrajectory.xtd-一个轨迹文件，包含了每一个优化步骤后的构造•AlAs.castep–包含了优化信息的输出文本文件•AlAs.param–模拟所用的输入参数计算任何一个性质，都会产生.param和.castep文件。在AlAs构造中，由于对称性的存在，受力为0，但是应力的大小取决于晶格参数。这样，CASTEP就会努力去最小化系统的总能量和应力。因此，为保证计算能够适宜地完成，检查压力收敛是非常重要的。第五十三页，共67页。在ProjectExplorer内，双击AlAs.castep，将其激活为当前工作文件。选择菜单栏里的Edit|Find...，在文本框中输入“completedsuccessfully〞，按下FindNext按钮，AlAs.castep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Yes，这说明计算成功地完毕。第五十四页，共67页。开场创立晶胞时，就知道晶格长度为5.6622Å。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构造，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。4.比较AlAs晶体构造的计算数据与实验数据*双击AlAs.xsd使其为当前工作文件*从菜单栏里选择Build/Symmetry/ConventionalCell，晶胞显示出来。第五十五页，共67页。*有数种方法看到晶格长度，一种就是翻开LatticeParameters对话框。在模型文件(3DViewer)上右击，选择LatticeParameters。格矢大约为5.721128Å。*另一种简单的方法是在左侧Properties中选择Lattice3D，其中显示晶格常数为5.72113Å。误差大约是-0.5%。这在1-2%典型误差范围内，这个误差值是赝势平面波方法与实验结果比较的期望误差。使用GGA函数，晶格常数的计算值偏大；使用LDA函数，晶格常数的计算值偏小；继续之前，需要保存工作，并关闭所有窗口。选择菜单栏上的File|SaveProject，然后是Window|CloseAll。第五十六页，共67页。*从工具栏选择CASTEP，然后选择Analysis(或从