CASTEP概述及一PPt详细教程.ppt
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CASTEP概述概述CASTEP是是特特别别为为固固体体材材料料学学而而设设计计的的一一个个现现代代的的量量子子力力学学基基本本程程序序,其其使使用用了了密密度度泛泛函函(DFT)平平面面波波赝赝势势方方法法,进进行行第第一一原原理理量量子子力力学学计计算算,以以探探索索如如半半导导体体,陶陶瓷瓷,金金属属,矿矿物物和和沸沸石石等等材材料料的晶体和表面性质。
的晶体和表面性质。
典典型型的的应应用用包包括括表表面面化化学学、键键结结构构、态态密密度度和和光光学学性性质质等等研研究究,CASTEP也也可可用用于于研研究究体体系系的的电电荷荷密密度度和和波波函函数数的的3D形形式式。
此此外外,CASTEP可可用用于于有有效效研研究究点点缺缺陷陷(空空位位,间间隙隙和和置置换换杂杂质质)和和扩扩展展缺缺陷陷(如晶界和位错如晶界和位错)的性质。
的性质。
MaterialStudio使使用用组组件件对对话话框框中中的的CASTEP选选项项允允许许准准备备、启启动、分析和监测动、分析和监测CASTEP服役工作。
服役工作。
计计算算:
允允许许选选择择计计算算选选项项(如如基基集集,交交换换关关联联势势和和收收敛敛判判据据),作作业控制和文档控制。
业控制和文档控制。
分分析析:
允允许许处处理理和和演演示示CASTEP计计算算结结果果。
这这一一工工具具提提供供加加速速整体直观化以及键结构图、态密度图形和光学性质图形。
整体直观化以及键结构图、态密度图形和光学性质图形。
关于CASTEPCASTEP的任务CASTEP计算是要进行的三个任务中的一个,即单个点的能量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,允许重新开始已完成生特定的物理性能。
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。
的计算以便产生最初没有提出的额外性能。
在在CASTEP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3D模型文模型文件,有大量方法规定一种结构:
可使用构建晶体件,有大量方法规定一种结构:
可使用构建晶体(BuildCrystal)或或构建真空板构建真空板(BuildVacuumStab)来构建,也可从已经存在的的结构来构建,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。
文档中引入,还可修正已存在的结构。
注意:
注意:
CASTEP仅仅能在能在3D周期模型文件基础上进行计算,必须构建超单胞,以便研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。
究分子体系。
提示:
提示:
CASTEP计算所需时间随原子数平方的增加而增加。
因此,建议是用最小的初计算所需时间随原子数平方的增加而增加。
因此,建议是用最小的初晶胞来描述体系,可使用晶胞来描述体系,可使用BuildSymmetryPrimitiveCell菜单选项来转换成初晶胞。
菜单选项来转换成初晶胞。
计算设置:
合适的计算设置:
合适的3D模型文件一旦确定,必须选择计算类型和相模型文件一旦确定,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,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时间步长和步数。
选择运行计算的磁盘并开始CASTEP作业。
作业。
结果分析:
计算完成后,相关于CASTEP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察量如光学性质。
CASTEP中选择一项任务中选择一项任务1从模块面板(ModuleExplorer)选择CASTEPCalculation。
2选择设置表。
3从任务列表中选择所要求的任务。
CASTEP能量任务能量任务CASTEP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;也能创建电荷密度文件;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CASTEP分析中可生成态密度图。
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。
CASTEP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/moleCASTEP几何优化任务几何优化任务CASTEP几几何何优优化化任任务务允允许许改改善善结结构构的的几几何何,获获得得稳稳定定结结构构或或多多晶晶型型物物。
通通过过一一个个迭迭代代过过程程来来完完成成这这项项任任务务,迭迭代代过过程程中中调调整整原原子坐标和晶胞参数使结构的总能量最小化。
子坐标和晶胞参数使结构的总能量最小化。
CASTEP几几何何优优化化是是基基于于减减小小计计算算力力和和应应力力的的数数量量级级,直直到到小小于于规规定定的的收收敛敛误误差差。
也也可可能能给给定定外外部部应应力力张张量量来来对对拉拉应应力力,压压应应力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几几何何优优化化处处理理产产生生的的模模型型结结构构与与真真实实结结构构紧紧密密相相似似。
利利用用CASTEP计计算算的的晶晶格格参参数精度列于右图。
数精度列于右图。
应力张量直到与所施加的外应力张量直到与所施加的外部应力相等。
部应力相等。
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于外部静压力的关系。
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压力下的单胞体积。
随后的P-V数据分析与实验研究精确一致。
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等进行了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。
在研究中避免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精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缺损条件下,CASTEP使用BFGS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,这是支持CASTEP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表面的体系如分子晶体或表面分子与BFGS同样有效。
CASTEP动力学任务CASTEP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CASTEP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(NVE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NVT系综(或者是确定性的Nos系综或者是随机性的Langevin系综)可模拟该条件。
定义时间步长定义时间步长(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,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。
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CASTEP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基本的约束:
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。
CASTEP性质任务CASTEP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:
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。
光学性质:
计算电子能带间转变的矩阵元素。
CASTEP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。
应力:
计算应力张量,并写入seedname.castep文档。
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。
用第一原理预测AlAs的晶格参数本指南主要是阐明在MaterialsStudio当中如何运用量子力学来测定物质的晶体结构。
你将从中学到如何构建晶体结构以及如何设置CASTEP几何优化运行和分析结果。
本指南的内容如下:
1构建AlAs的晶体结构2设置和运行CASTEP中的计算3分析结果4比较实验数据和结构注注意意如果你的服务器没有足够快的CPU,本指南限制使用CASTEP进行几何优化计算,因为它会占用相当长的时间。
11构建构建构建构建AlAsAlAs的晶体结构的晶体结构的晶体结构的晶体结构为了构建晶体结构,我们需要知道你想要构建的晶体的空间群信息,晶格参数以及它的内部坐标。
以AlAs为例,它的空间群是F-43m或空间群数字是216。
它有两种基本元素Al和As,其分数坐标分别为(000)和(0.250.250.25)。
它的晶格参数为5.6622埃。
第一步是构建晶格。
在Projectexplorer的跟目录上右键单击,选中New|3DAtomisticDocument。
接着在3DAtomisticDocument右键单击,把它更名为AlAs。
从菜单中选择Build|Crystals|BuildCrystal,然后显示出BuildCrystal对话框,如下:
在在Entergroup中选择中选择F-43m或在或在Entergroup中单中单击,然后键入击,然后键入216,再按下,再按下TAB键键.(空间群信息框中空间群信息框中的信息也随着的信息也随着F-43mF-43m空间空间群的信息而发生变化群的信息而发生变化)选择选择LatticeLatticeParametersParameters标签,把标签,把aa的的数值从数值从10.0010.00改为改为5.6625.662。
单击单击BuildBuild按钮。
按钮。
一一个个没没有有原原子子的的晶晶格格就就在在3D3Dmodelmodeldocumentdocument中中显显示示出出来来。
现在我们就可以添加原子了。
现在我们就可以添加原子了。
从菜单栏中选择Build|AddAtoms。
通过它,我们可以把原子添加到指定的位置,其对话框如下:
在在AddAtoms对话框中选择对话框中选择Opti
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