CASTEP-MaterialsStudio计算高级教程

NCHCCASTEP教材CASTEP/MaterialsStudio计算化学高级训练课程（原授课于国家高速网络与计算中心：2004年8月）李明宪淡江大学物理系第一天上午MaterialsStudio与CASTEP快速入门认识晶体结构与ICSD数据库模型建构技巧与接口之标准3D功能下午密度泛函理论与CASTEP平面波赝势方法预测基本物性（I）：原子轨域、分子结构、化学键键级、键能、晶胞参数、弹性系数张量、表面重构、功函数实习预测基本物性（I）第二天上午能带结构理论简介(group能带结构简介)超晶胞、倒空间、布里渊区、k-取样、费米面、分数占据态、投影态密度预测基本物性（II）能带结构、态密度、投影态密度、导体、半导体、绝缘体、磁性、光谱、声子谱实习预测基本物性（II）下午CASTEP实战守则模型选定、赝势选择、精确性测试、收敛性测试、重要参数调控、CASTEP文献数据库高级功能分子动力学、过渡态搜寻、能阶修正、其它发展中之研究工具介绍（EELS、NLO、NMR/EPR）自由实习与个案讨论待做事项1/111NCHCCASTEP教材第一部分MaterialsStudio与CASTEP新建工程：打开MaterialsSautio会问是要开始一个新project还是打开一个前次的。选开启新的project，现在以氯化钠为例，以NaCl为名称2/111NCHCCASTEP教材三个Explorer几个重要的窗口，可分为这三类：一、job，己完成的、正在跑的；二、project，各种输入与输出文件，可以查看结果、修改输出入的相关设定；三、property，材料的原子及电子结构3D模型等物性数据，例如晶体晶胞边长、原子元素种类等等。从Veiw的Explorer可见：jobExploroer、projectexploroer、propertyexplorer。jobexplorer显示运行的job，近端远程的状态都可以显示。projectexplorer默认值是开着的，project的相关对象，如文字输出、3D结构等等，job相关的目录、文件等。propertyexplorer，在MS相对Cerius2而言是新的东西。只要是3D对象有呈现的状况之下，可以直接在上面显现出各种可以看得见的特性还有可以改得到的选项。手工输入氯化钠的晶体结构1、要跑CASTEP的任务，首先要有晶胞，里面建立原子结构；可以通过file==import打开进入structure内建的分类，选已经建好的结构。也可手工输入氯化钠的晶体结构。先打开newdocument，选3datomisticdocument，确定之后会给出一个空的3d对象的工作稿3/111NCHCCASTEP教材2、手工输入晶体结构:Build菜单crystalBuildCrystal跟据icsd查询NaCl晶体的参数，输入进去：spacegroup-点群：255把鼠标在别的地方点一下它就会显示出225的fm-3m结构。atticeparameter，填写晶格常数，比如a,b,c的值，以及三个角度NaCl的a是5.64option里面其本上是预设就可以。latticeoption里的orientationstandard指晶胞在绝对坐标中的方向按Build或者Apply就可以生成该结构的晶格模型了3、添加原子在刚才的model中加入原子。从选单上+蓝色球按下去，就可以加原子4/111NCHCCASTEP教材选原子Na，名字自己会补，abc用分数坐标，根据icsd是零，按add就添加了Na原子。Cl位置是0.5,0.5,0.5，也加上。在3dmodel里可以看到这个氯化钠晶体。propertyexplore的filter选单选有3Dlattice，atom和symmetrysystem等选symmetrysystem，从cellformula可以看到Na4Cl4，目前晶胞是一个八颗原子的氯化钠晶胞，比例是1:1；还可以看见密度体积等。filter里的3dlattice显示晶格信息：角度αβγ、对称性、晶胞边长、空间群等，以晶胞边长为例，双击可以修改5/111NCHCCASTEP教材更改3D显示形式在3d工作稿里按右键打开一个弹出菜单，里头displaystyle设置3d对象显示方式。比方说atom选项里面的displaystyle可以选stick、ball&stick，lattice也有多种选项。更改LABEL3d工作稿里按右键选择Label，可以选择显示多种标签，比如说某个或全部原子的化学符号，(elementsymbol)，还可以选择字形的大小；可以设置，也可以remove掉标签。还可以输入一些文字。6/111NCHCCASTEP教材单胞做出来的晶胞并不是premitiveunitcell，最小体积的晶体，可以在build菜单symmetry里面选premitivecell转成premitive，这样进行光学计算会提高速度7/111NCHCCASTEP教材CASTEP计算选菜单上代表castep模块的波浪型的符号。castep模块是以平面波作为基底。设定任务质量控制setup里可以设置多种task，我们选择Energy；quality选medium。8/111NCHCCASTEP教材设定任务electronic选单控制计算精确度，点里面的more按钮弹出electronicoption选单，有basis、kpoint、scf、potentials等选项，可以设置来增加计算效能。在scf这里勾选fixoccupency。fixoccupency只能用在绝缘体，可以节省绝缘体的计算时间，不然它会当作金属来算。这个选单里面有许多属于专家级的微细调控，当末来你所需要的精确度跟你所能允许的计算时间性能要有一个权衡的时候你就要靠这些相关数值的调控来做到花最少时间来做到最精密的计算。重要的一点现在我们来到property这里，刚刚在setup选项里面选了tasks的energy，那么在property里进可以进一步指定我要附加计算哪一些特性：比如说能带结构densityofstate光学性质有与趣可以试试不同种类计算。注意，phonondispersion跟phonondensityofstate相当耗时间，pc机有可能需要计算三两天甚至一两周，看你不同的晶胞大小；其它都还算是比较不会太费时。现在为了示范光学计算，只选择能带结构，态密度跟opticalproperty，其中态密度这个部份我进一步还要选择要求计算投影态密度，projecteddensityofstate，那这个其它的就用默认值。9/111NCHCCASTEP教材在本机运行在jobcontrol里gatewaylocation指定在哪一台计算机运行；选mycomputer在本机运行；为了将来管理方便最好自己指定jobdescription名称。把automatic的勾取消掉，取名称NaCl，然后就可以按底下的run。如果是在远程的机器上运行，如果勾选more选单里面的retainserverfile，完成的时候文件会在server上留一份而不会被删除，但是这样会占用服务器的硬盘空间。按run，2.2版本会跳出报告计算情况的选单，3.0这个选单可能不会出现；在jobdescription的地方可以看到job以及随机数取出来的id，在哪一台机器上跑，用了什么东西跑server，就是用什么东西跑castep，状态等等，如果想让它中止可以用鼠标点选该job，按右键有一个action可以看可以做什么。目前因为job正在跑，唯一能做的就是stop它，在unix环境下可以把它直接kill掉，但在windows上必需透过这种方式来把它停住，10/111NCHCCASTEP教材查看运行状态根据刚才所选，电子结构算完后接着进行能带以及光学计算；另外，提交任务后关掉materialsstudio的图形界面，程序还继续在远程或本机后台跑。可以安全的退出materialsstudio的图形界面；同时，不关的话就会消耗一个license。这个job设置了medium需要时间较长，用了330这个精确度对于一些初步的具有学术探讨价值的一些物理量是已经不错了。打入”机器名:18888”，可以看到目前你正在运行的任务。11/111NCHCCASTEP教材从上面可以看到holon提交了作业G15EA，现在在running；选进去以后可以看得见目前正在进行计算的castep文件，如果我点进去的话它会因为application的定义没有设好而要求我要选择下载或开启，我刚刚选择了开启，刚刚那个单纯做电子结构计算的已经在七十几秒时结束，那另外属于能带结构计算的部份我也把它开启，能带结构的计算也是另外一个七十几秒结束，那光学计算可能现在正在进行，你们可以从上面看到名称有optics的这些就是光学计算。结束计算做完能带结构计算可以做一下分析。首先把所有的画面统统清干净，现在jobexplorer上面的status已经从running改成successful了，说明所有的job都已经完成，我们可以去看一下刚刚利用流灠器所看到的gatewayserver的画面，里面有_optics.castep我下载下来以后一路拉到最后面，可以看到花了一百多秒12/111NCHCCASTEP教材分析结果现在把它关掉进行分析，建议在进行分析之前桌面先清干净会比较清础。在castep波浪形icon里选择analysis，会跳出要analysis什么的选项，目前resultfiles是空的，因为没有选择是到底要分析什么东西。选电子云密度，打开刚刚所进行的计算的.castep文件或3d空间结构.xsd，extendedstructuredata这一个，它知道resultfile是NaCl.castep。如果再把它关起来，现在又没有fileavailable。同样如果把NaCl.castep开起来，它也晓得resultfiles是这个，但是不同的是，一样是electrondensity，它会不让你import，原因是打开虽然是符合它output对象的.castep文件，但.castep是一个文本文件，不可能把电荷密度直接叠在这个文本文件上观看，必需有一个3d对象窗口才能加载电子结构。所以窗体可以提醒你要开启一个合法的3d空间文件。13/111NCHCCASTEP教材打开.xsd文件再打开这个.xsd文件，按import把电子云密度载进来，这个载进来的电子云密度可以利用不同方式显示。这是电荷密度的等高面，在analysis选单里面选electrondensity时，有一个viewisosurfaceonimport，默认值是勾起来的，也就是说在载进来时它就会用isosurface来显示，这比较方便。如果不要isosurface，可以在3d工作底稿上按右键，打开displaystyle，在displaystyle里控制isosurface的部份的visible勾除，变成notvisible，就会暂时看不见。14/111NCHCCASTEP教材field选项卡field是3D空间显示，预设为点状方式显示电荷分布情形。可以选择5种品质的点，medium或high等；也可选volume方式；volume非常漂亮。如果在3d底稿上按右键选择displayoption，有一些跟3d呈现控制有关的东西的性能调整的部份。如果把fastranderonmove勾选取消，这表示在移动3d对象的时候选择不要快速的光影处理，那这样的话它就会用完整品质的光影处理，在移动时速度会慢一点，在适配卡速度很快的计算机上还是可以来进行。15/111NCHCCASTEP教材bandstructure这就是field的功能。要看能带结构，勾选bandstructure，会看到系统知道你刚刚有做过bandstruct.castep，所以它确认是没问题的，它同时也可以让你勾选要不要同时show态密度，并且你也可以勾选同时show出partialdensityo