Materials-Studio-教程5

计算材料学主要内容：密度泛函理论基础计算模型的建立晶体结构优化表面吸附电荷密度分布化学反应中的过渡态搜索气体扩散X-ray结构精修教员：郝绿原[e-mail]3600834傅正平[e-mail]李震宇（理论）[e-mail]张文华（理论）[e-mail]资料：~hly*不支持中文目录*显示扩展名CASTEP概述关于CASTAPCASTAP是特别为固体材料学而设计的一个现代的量子力学基本程序，其使用了密度泛函(DFT）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，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结构图，态密度图形和光学性质图形。CASTAP的任务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，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：*结构定义：必须规定包含所感兴趣结构的周期性的3D模型文件，有大量方法规定一种结构：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结构文档中引入，还可修正已存在的结构。注意：CASTAP仅能在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菜单选项来转换成原胞。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：合适的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始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。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CASTAP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。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/moleCASTAP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。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结构与真实结构紧密相似。利用CASTAP计算的晶格参数精度列于右图。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（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。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。在进行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，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。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：*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。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。目的:介绍CASTEP中的结构优化，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的晶体结构2.设置并进行CASTEP计算3.分析结果4.比较计算的结构参数和实验数据(1)图示电荷密度(2)图示态密度和带结构引言本指南介绍了CASTEP是如何使用量子力学方法来确定材料的晶体结构，使用者将学会如何构建晶体结构，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行解释；并从未知晶体的结构性质、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。注意:如果你的服务器没有足够快的CPU，请慎用CASTEP进行几何优化计算，因为它会占用相当长的时间。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的晶体结构空间群是F-43m构建一个晶体结构，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。找到class3，按“打开”按钮输入AlAs，这将是新的Project的名字。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AlAs.xsd。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。杨碚芳课选择LatticeParameters标签，把a值从10.00变为5.662。点击Build按钮。单击此图标，然后可旋转晶格，显示其立体结构。一个没有原子的3D格子显示在3DAtomistic文件里。AsAl?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*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。*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，铝原子就添加到结构中了。*从菜单栏中选择View/DisplayStyle