中科大 Materials Studio 培訓(xùn)教程16(包你學(xué)會(huì)!)請將這一系列全看完,一定有收獲

1、 背景背景: : 當(dāng)前，可應(yīng)用于大周期性體系的密度泛函理論（當(dāng)前，可應(yīng)用于大周期性體系的密度泛函理論（DFTDFT）取得了顯著的）取得了顯著的進(jìn)展，已經(jīng)成為解決材料設(shè)計(jì)、加工中難題的有效方法。人們依據(jù)這個(gè)理進(jìn)展，已經(jīng)成為解決材料設(shè)計(jì)、加工中難題的有效方法。人們依據(jù)這個(gè)理論可以使解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)測新晶體的結(jié)構(gòu)、結(jié)合能和表面活性等基本性論可以使解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)測新晶體的結(jié)構(gòu)、結(jié)合能和表面活性等基本性質(zhì)。這些工具可以用來指導(dǎo)設(shè)計(jì)新材料，允許研究人員理解基本的化學(xué)和質(zhì)。這些工具可以用來指導(dǎo)設(shè)計(jì)新材料，允許研究人員理解基本的化學(xué)和物理過程。物理過程。緒論緒論: : 在本教程中，將學(xué)習(xí)如何使用在本教程中，

2、將學(xué)習(xí)如何使用CASTEPCASTEP來計(jì)算彈性常數(shù)和其他的力學(xué)來計(jì)算彈性常數(shù)和其他的力學(xué)性能。首先我們要優(yōu)化性能。首先我們要優(yōu)化BNBN立方晶體的結(jié)構(gòu)，然后計(jì)算它的彈性常數(shù)。立方晶體的結(jié)構(gòu)，然后計(jì)算它的彈性常數(shù)。本指南主要包括以下內(nèi)容：本指南主要包括以下內(nèi)容： 1 1 優(yōu)化優(yōu)化BNBN立方晶體的結(jié)構(gòu)立方晶體的結(jié)構(gòu) 2 2 計(jì)算計(jì)算BNBN的彈性常數(shù)的彈性常數(shù) 3 3 彈性常數(shù)文件的描述彈性常數(shù)文件的描述計(jì)算計(jì)算BNBN的彈性常數(shù)的彈性常數(shù)目的：目的： 使用使用 CASTEP CASTEP 計(jì)算彈性常數(shù)計(jì)算彈性常數(shù)模塊：模塊： Materials Visualizer, CASTEPMater

3、ials Visualizer, CASTEP前提：前提： 已使用已使用first principlesfirst principles預(yù)測了預(yù)測了AlAsAlAs的晶格常數(shù)的晶格常數(shù)1. 1. 優(yōu)化優(yōu)化BNBN立方晶體的結(jié)構(gòu)立方晶體的結(jié)構(gòu) 在計(jì)算彈性常數(shù)之前并不一定要進(jìn)行幾何優(yōu)化，可以由實(shí)驗(yàn)觀測到的在計(jì)算彈性常數(shù)之前并不一定要進(jìn)行幾何優(yōu)化，可以由實(shí)驗(yàn)觀測到的結(jié)構(gòu)計(jì)算出結(jié)構(gòu)計(jì)算出C Cijij數(shù)據(jù)。盡管如此，如果我們完成晶胞的幾何優(yōu)化，可以獲得數(shù)據(jù)。盡管如此，如果我們完成晶胞的幾何優(yōu)化，可以獲得更多相容的結(jié)果，進(jìn)而計(jì)算與理論基態(tài)對應(yīng)的彈性常數(shù)。更多相容的結(jié)果，進(jìn)而計(jì)算與理論基態(tài)對應(yīng)的彈性常數(shù)。

4、 彈性常數(shù)的精確度，尤其是切變常數(shù)的精確度，主要取決于彈性常數(shù)的精確度，尤其是切變常數(shù)的精確度，主要取決于SCFSCF計(jì)算的計(jì)算的品質(zhì)，特別是布里淵區(qū)取樣和波函數(shù)收斂程度的品質(zhì)。所以我們設(shè)置品質(zhì)，特別是布里淵區(qū)取樣和波函數(shù)收斂程度的品質(zhì)。所以我們設(shè)置SCFSCF、k k點(diǎn)取樣和點(diǎn)取樣和FFTFFT格子的精度為格子的精度為FineFine。 首先導(dǎo)入首先導(dǎo)入BNBN結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 在 菜 單 欄 中 選 擇在 菜 單 欄 中 選 擇 F i l e / F i l e / ImportImport，從，從structures/semiconductorsstructures/semiconductor

5、s中中選中選中BN.msiBN.msi，按，按ImportImport按鈕，按鈕，輸入輸入BNBN的晶體結(jié)構(gòu)，見右圖。的晶體結(jié)構(gòu)，見右圖。 為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，由為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，由Build / Symmetry / Build / Symmetry / Primitive CellPrimitive Cell將此將此conventional representation conventional representation 轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為primitive primitive representation.representation.現(xiàn)在設(shè)置幾何優(yōu)化現(xiàn)在設(shè)置幾何優(yōu)化 從工具欄中選擇從工具欄

6、中選擇CASTEPCASTEP工具工具 ，然后從下拉列中選擇然后從下拉列中選擇CalculationCalculation（或從（或從菜單欄中選擇菜單欄中選擇Modules / CASTEP / Modules / CASTEP / CalculationCalculation）。）。CASTEP CalculationCASTEP Calculation對話框見右圖：對話框見右圖： 在在SetupSetup標(biāo)簽中，把標(biāo)簽中，把TaskTask設(shè)置為設(shè)置為Geometry OptimizationGeometry Optimization，把，把Quality Quality 設(shè)設(shè)置為置為Fi

7、neFine，并且把，并且把FunctionalFunctional設(shè)置為設(shè)置為GGA GGA and PW91and PW91。 按下按下moremore按鈕，選中按鈕，選中Optimize cellOptimize cell。關(guān)閉關(guān)閉CASTEP Geometry OptimizationCASTEP Geometry Optimization對話對話框?？?。 選擇選擇ElectronicElectronic標(biāo)簽，按下標(biāo)簽，按下More.More.按鈕以得到按鈕以得到CASTEP Electronic CASTEP Electronic OptionsOptions對話框。把對話框。把De

8、rived gridDerived grid的設(shè)置從的設(shè)置從StandardStandard改為改為FineFine。關(guān)閉。關(guān)閉CASTEP Electronic OptionsCASTEP Electronic Options對話框。對話框。 選擇選擇Job ControlJob Control標(biāo)簽，設(shè)定本地機(jī)運(yùn)算。標(biāo)簽，設(shè)定本地機(jī)運(yùn)算。按下按下CASTEP CalculationCASTEP Calculation對話框中的對話框中的RunRun按鈕。按鈕。 優(yōu)化之后，此結(jié)構(gòu)的晶胞參數(shù)應(yīng)為優(yōu)化之后，此結(jié)構(gòu)的晶胞參數(shù)應(yīng)為a=b=c=2.574a=b=c=2.574。現(xiàn)在我們可以繼?，F(xiàn)在我們可

9、以繼續(xù)計(jì)算優(yōu)化結(jié)構(gòu)的彈性常數(shù)。續(xù)計(jì)算優(yōu)化結(jié)構(gòu)的彈性常數(shù)。 或按右鍵顯示或按右鍵顯示2. 2. 計(jì)算計(jì)算BNBN的彈性常數(shù)的彈性常數(shù) BN CASTEP GeomOpt/BN.xsdBN CASTEP GeomOpt/BN.xsd處處于激活狀態(tài)。于激活狀態(tài)。選擇選擇CASTEP CASTEP CalculationCalculation對話框中的對話框中的SetupSetup標(biāo)簽，標(biāo)簽，從從TaskTask的下拉清單中選擇的下拉清單中選擇Elastic Elastic ConstantsConstants。 按下按下More.More.按鈕，按鈕，CASTEP CASTEP Elastic Co

10、nstantsElastic Constants對話框見右圖。對話框見右圖。將將Number of steps for each Number of steps for each strainstrain由由4 4增加為增加為6 6，按，按RunRun運(yùn)行。運(yùn)行。 CASTEPCASTEP的彈性常數(shù)計(jì)算任務(wù)的的彈性常數(shù)計(jì)算任務(wù)的結(jié)果以一批結(jié)果以一批.castep.castep輸出文件的形式輸出文件的形式給出。這些文件中的每一個(gè)文件都給出。這些文件中的每一個(gè)文件都代表確定的晶胞在假設(shè)的應(yīng)變模式代表確定的晶胞在假設(shè)的應(yīng)變模式和應(yīng)變振幅下的幾何優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果。和應(yīng)變振幅下的幾何優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果。這 些 文

11、 件 的 命 名 約 定 為 ：這 些 文 件 的 命 名 約 定 為 ：seedname_cij_m_nseedname_cij_m_n。對于給定的。對于給定的模式來說，模式來說，m m代表當(dāng)前的應(yīng)變模式，代表當(dāng)前的應(yīng)變模式，n n代表當(dāng)前的應(yīng)變振幅。代表當(dāng)前的應(yīng)變振幅。 6僅取一種應(yīng)僅取一種應(yīng)變模式變模式 從屬性清單中選擇從屬性清單中選擇Elastic constantsElastic constants，從，從BNBN的彈性常數(shù)計(jì)算工作中得到的結(jié)果文件的彈性常數(shù)計(jì)算工作中得到的結(jié)果文件BN.castepBN.castep應(yīng)應(yīng)自動(dòng)顯示在自動(dòng)顯示在Results fileResults fi

12、le選框中。按下選框中。按下CalculateCalculate按按鈕。計(jì)算結(jié)束后產(chǎn)生一個(gè)新的文檔鈕。計(jì)算結(jié)束后產(chǎn)生一個(gè)新的文檔BN Elastic BN Elastic Constants.txtConstants.txt。此文檔中的信息包括此文檔中的信息包括：* *輸入的應(yīng)變和計(jì)算出的應(yīng)力的總結(jié)輸入的應(yīng)變和計(jì)算出的應(yīng)力的總結(jié)* *每一種應(yīng)變模式線性擬合和擬合質(zhì)量的計(jì)算結(jié)果每一種應(yīng)變模式線性擬合和擬合質(zhì)量的計(jì)算結(jié)果* *給定對稱性下計(jì)算出的應(yīng)力與彈性常數(shù)之間的對應(yīng)給定對稱性下計(jì)算出的應(yīng)力與彈性常數(shù)之間的對應(yīng)* *彈性常數(shù)彈性常數(shù)CijCij和彈性柔量和彈性柔量SijSij的表格的表格* *導(dǎo)

13、出量：體積模量和其倒數(shù)、壓縮系數(shù)、楊氏模量、導(dǎo)出量：體積模量和其倒數(shù)、壓縮系數(shù)、楊氏模量、PoissonPoisson比、比、 Lame Lame 常數(shù)常數(shù)( (用于模擬各向同性介質(zhì)用于模擬各向同性介質(zhì)) ) CASTEP CASTEP可以使用這些結(jié)果來分析每一個(gè)運(yùn)行計(jì)算出來的壓力張量，產(chǎn)生可以使用這些結(jié)果來分析每一個(gè)運(yùn)行計(jì)算出來的壓力張量，產(chǎn)生一個(gè)有關(guān)彈性性質(zhì)的文件。一個(gè)有關(guān)彈性性質(zhì)的文件。 從工具欄中選擇從工具欄中選擇CASTEP CASTEP 工具，然后選擇工具，然后選擇AnalysisAnalysis或者從菜單欄或者從菜單欄中選擇中選擇Modules | CASTEP | Analys

14、isModules | CASTEP | Analysis。3 3 彈性常數(shù)文件的描述彈性常數(shù)文件的描述 對于這種點(diǎn)陣類型，需要考慮兩種應(yīng)變模式對于這種點(diǎn)陣類型，需要考慮兩種應(yīng)變模式( (本教程只計(jì)算了一種本教程只計(jì)算了一種) )。對。對于每一種應(yīng)變模式，都有一個(gè)計(jì)算出的應(yīng)力的總結(jié)于每一種應(yīng)變模式，都有一個(gè)計(jì)算出的應(yīng)力的總結(jié)( (由各自的由各自的.castep.castep文件得文件得到到) )。 = Elastic constants from Materials Studio: CASTEP = Summary of the calculated stresses * Strain pat

15、tern: 1= Current amplitude: 1 Transformed stress tensor (GPa) : -4.990578 0.000000 0.000000 0.000000 -6.907159 0.953658 0.000000 0.953658 -6.908215 Current amplitude: 2 Transformed stress tensor (GPa) : -5.949042 0.000000 0.000000 0.000000 -7.093625 0.571307 0.000000 0.571307 -7.094263 提供了應(yīng)力，應(yīng)變的組成和彈

16、性常數(shù)張量之間聯(lián)系的所有信息。在這一階段，每一個(gè)彈性常數(shù)均有一個(gè)簡潔的指數(shù)代表而不是由一對ij指數(shù)代表。稍后會(huì)在文件夾中給出壓縮符和常規(guī)的指數(shù)標(biāo)定之間 的對應(yīng)。 和彈性系數(shù)相對應(yīng)的應(yīng)力 (壓縮符)： 1 7 7 4 0 0 as induced by the strain components: 1 1 1 4 0 0 在下面的表格中給出了每一種應(yīng)力組成的應(yīng)力-應(yīng)變線性適配關(guān)系: Stress Cij value of value of index index stress strain 1 1 -4.990578 -0.003000 1 1 -5.949042 -0.001800 1 1 -

17、6.891618 -0.000600 1 1 -7.838597 0.000600 1 1 -8.784959 0.001800 1 1 -9.726562 0.003000 C (gradient) : 788.920238 Error on C : 0.945626 Correlation coeff: 0.999997 Stress intercept : -7.363559 此梯度提供了彈性常數(shù)的數(shù)值（或彈性常數(shù)的線性組合），適配的質(zhì)量，由相關(guān)系數(shù)表示，提供了另人滿意的彈性常數(shù)的不確定度。 在進(jìn)一步的分析中沒有使用壓力的切點(diǎn)值, 它很簡單的指示出收斂的基態(tài)離最初的結(jié)構(gòu)有多遠(yuǎn)。 所有應(yīng)變

18、模式的結(jié)果總結(jié)如下： = Summary of elastic constants = id i j Cij (GPa) 1 1 1 788.92024 +/- 0.946 4 4 4 447.55108 +/- 0.749 7 1 2 148.70983 +/- 0.754 The errors are only provided when more than two values for the strain amplitude were used, since there is no statistical uncertainty associated with fitting a st

19、raight line to only two points. 彈性常數(shù)以常規(guī)的6x6張量的形式顯示出,隨后彈性柔量（compliances）以相似的6x6形式顯示出： = Elastic Stiffness Constants Cij (GPa) = = Elastic Compliance Constants Sij (1/GPa) = 0.0014282 -0.0002075 -0.0002075 0.0000000 0.0000000 0.0000000 -0.0002075 0.0014282 -0.0002075 0.0000000 0.0000000 0.0000000 -0.0

20、002075 -0.0002075 0.0014282 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0023533 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0023533 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0023533文件的最后部分包含推出的屬性: 736.57379 125.20883 125.20883 0.00000 0.00000 0

21、.00000 125.20883 736.57379 125.20883 0.00000 0.00000 0.00000 125.20883 125.20883 736.57379 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 424.93974 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 424.93974 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 424.93974Bulk modulus = 362.11330 +/- 0.593 (

22、GPa) Compressibility = 0.00276 (1/GPa) Axis Young Modulus Poisson Ratios (GPa) X 741.74894 Exy= 0.1586 Exz= 0.1586 Y 741.74894 Eyx= 0.1586 Eyz= 0.1586 Z 741.74894 Ezx= 0.1586 Ezy= 0.1586 Lame constants for isotropic material (GPa) Lambda = -106.1819, Mu = 447.5511 END預(yù)測鍺的熱力學(xué)屬性背景 線性響應(yīng)或密度功能混亂理論是點(diǎn)陣動(dòng)力學(xué)從

23、頭開始計(jì)算中最受歡迎的方法之一，盡管如此，這種方法的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)充到對振動(dòng)屬性的研究。線性響應(yīng)提供了一種分析方法用于計(jì)算給定混亂的二級(jí)派生的整體能量?？梢杂?jì)算出許多屬性，主要依賴于混亂的種類。在離子位置的混亂可以引起動(dòng)力矩陣和聲子；在磁場中引起NMR效應(yīng)；在單位晶格矢量中產(chǎn)生彈性常數(shù)；在電場中引起非傳導(dǎo)性效應(yīng)等。 在本指南中，我們將要學(xué)習(xí)為了計(jì)算聲子散射和能態(tài)密度以及預(yù)測熱力學(xué)屬性如焓和自由能，如何使用CASTEP來完成線性響應(yīng)計(jì)算。 本指南主要包含以下內(nèi)容： 1 優(yōu)化鍺單胞的結(jié)構(gòu) 2 計(jì)算聲子散射和能態(tài)密度 3顯示聲子散射和能態(tài)密度 4顯示熱力學(xué)屬性 1 優(yōu)化鍺單胞的結(jié)構(gòu) 首先我們要導(dǎo)入鍺的結(jié)

24、構(gòu)，它包含在Materials Studio所提供的結(jié)構(gòu)庫中。 在菜單欄中選擇File | Import。遵循下列路徑structures/metals/pure metals選中Ge.xsd。 把它轉(zhuǎn)換為原胞結(jié)構(gòu)后，對它的計(jì)算會(huì)更快。 從菜單欄中選擇Build | Symmetry | Primitive Cell。鍺的原胞結(jié)構(gòu)如右所示：現(xiàn)在開始使用CASTEP來優(yōu)化鍺的幾何結(jié)構(gòu)。 從工具欄中選擇CASTEP工具 然后選中Calculation或從菜單欄中選擇Modules | CASTEP | Calculation。CASTEP Calculation的對話框如下：幾何優(yōu)化的默認(rèn)值不包括

25、對單胞的優(yōu)化。 在Setup標(biāo)簽上，把Task從Energy改為Geometry Optimization，把Functional改為LDA。 在CASTEP Geometry Optimization對話框中，按下More.按鈕，勾選上Optimize Cell。選中Electronic標(biāo)簽，把Energy cutoff 設(shè)置為Ultra-fine，把SCF tolerance設(shè)置為 Ultra-fine，把k-point set 設(shè)置為Coarse以及把Pseudo-potentials設(shè)置為 Norm-conserving。 選中Job Control標(biāo)簽。選擇你想要在其上運(yùn)行工作的Ga

26、teway location。把Runtime optimization設(shè)置為Speed。按下Run按鈕開始運(yùn)行。工作遞交后開始運(yùn)行。它大概需要2分鐘時(shí)間，這主要取決于你的電腦的速度。結(jié)果放在一個(gè)被稱為Ge CASTEP GeomOpt的新文件夾中。 2 計(jì)算聲子散射和能態(tài)密度為了計(jì)算聲子散射和聲子的能態(tài)密度，在從CASTEP Calculation對話框的Properties標(biāo)簽選定適當(dāng)?shù)膶傩院?，我們必須完成一個(gè)單點(diǎn)能量計(jì)算。確定Ge CASTEP GeomOpt文件夾中的Ge.xsd文件示激活文檔。選中CASTEP Calculation對話框中的Setup標(biāo)簽，把Task設(shè)置為Energ

27、y。選擇Electronic標(biāo)簽，按下More按鈕，顯示出CASTEP Electronic Options對話框。選擇SCF標(biāo)簽，勾選上Fix occupancy。關(guān)閉CASTEP Electronic Options對話框。在CASTEP Calculation對話框中選定Properties標(biāo)簽。選擇Phonon dispersion并且把q-vector set設(shè)置為medium。選擇Phonon density of states并且把q-vector set設(shè)置為medium。選中Job Control標(biāo)簽。選擇你想要在其上運(yùn)行工作的Gateway location。按下Run按鈕

28、。在Ge CASTEP GeomOpt文件夾中創(chuàng)建了一個(gè)名為Ge CASTEP Energy的新文件。當(dāng)能量計(jì)算完成后，兩個(gè)新文件Ge_PhononDisp.castep和Ge_PhononDOS.castep放在此文件夾中。 3顯示聲子散射和能態(tài)密度聲子散射曲線顯示出聲子能量沿著布里淵區(qū)高對稱性方向如何依賴于q向量。此信息可以從單晶的中子散射實(shí)驗(yàn)中獲得。只有為數(shù)不多的物質(zhì)可以獲得這樣的信息，所以用來確定建模方法是否正確的理論偏差曲線對于論證在卷首的從頭開始計(jì)算方法的預(yù)測性能力是非常有用的。在一定情形下，它可能測量態(tài)密度而不是聲子散射。而且與聲子的態(tài)密度有直接關(guān)系的電子聲子交感作用可以通過隧道

29、實(shí)驗(yàn)直接測量。所以能夠從第一原理計(jì)算出聲子的態(tài)密度是非常重要的。Materials Studio可以從任何.phonon CASTEP輸出文件中產(chǎn)生聲子散射圖和態(tài)密度圖。這些文件隱藏在Project Explorer里，但是一個(gè).phonon文件會(huì)和每一個(gè)擁有PhonDisp或PhonDOS后綴的.castep文件一起產(chǎn)生?，F(xiàn)在，我們使用先前的計(jì)算結(jié)果來創(chuàng)建聲子散射圖。從Materials Studio的菜單欄中選擇Modules | CASTEP | Analysis。從屬性列表中選擇Phonon dispersion。確定Results file選擇框中顯示的是Ge_PhononDisp.

30、castep。 從Units下拉列表中選擇cm-1。從Graph style下拉列表中選擇Line。 按下View按鈕。在 結(jié) 果 文 檔 中 創(chuàng) 建 了 一 個(gè) 新 的 圖 形 文 檔 G e P h o n o n Dispersion.xcd。它應(yīng)和下圖相似：聲子散射的實(shí)驗(yàn)圖如下所示： 預(yù)測的頻率可從Ge_PhononDisp.castep文件中得到。 在Project Explorer中雙擊Ge_PhononDisp.castep。按下CRTL+F鍵，搜索Vibrational Frequencies。 結(jié)果文件中的部分內(nèi)容如下所示： = + Vibrational Frequenci

31、es + - + + + Branch number Frequency (cm-1) + += = = + - + q-pt= 1 ( 0.500000 0.250000 0.750000) 0.076923 + + Effective cut-off = 252.3267 EV + - + + + 1 142.467048 + + 2 154.267057 + + 3 226.736315 + + 4 228.208353 + + 5 285.654435 + + 6 292.950626 + + - - + + q-pt= 2 ( 0.500000 0.300000 0.700000)

32、0.038462 + + Effective cut-off = 246.7136 EV + + - - + 每一個(gè)q點(diǎn)和每一個(gè)分支（縱向光波或聲波(LO/LA),橫向光波或聲波(TO/TA)的頻率以cm-1給出，同時(shí)也給出了q點(diǎn)在倒易空間中的位置。高對稱性點(diǎn)G, L和X在倒易空間中的位置各自為(0 0 0), (0.5 0.5 0.5) 和 (0.5 0 0.5)。這些點(diǎn)和q點(diǎn)12, 6 以及19相對應(yīng)。預(yù)測的頻率（cm-1）和實(shí)驗(yàn)的頻率（cm-1）如下：總體來說，計(jì)算的精度是可以接受的。在Gamma點(diǎn)錯(cuò)誤的聲學(xué)波頻率，3 cm-1 而不是0cm-1，使我們感覺這只是一般的精確度。通過對更好的SCF k點(diǎn)格子的計(jì)算，我們可以獲得更加另人滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 現(xiàn)在創(chuàng)建聲子