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文檔簡介

1、CASTEPCASTEP概述概述關于關于CASTAPCASTAP CASTAPCASTAP是特別為固體材料學而設計的一個現(xiàn)代的量子力是特別為固體材料學而設計的一個現(xiàn)代的量子力學基本程序,其使用了密度泛函學基本程序,其使用了密度泛函(DFT(DFT)平面波贗勢方法,進行)平面波贗勢方法,進行第一原理量子力學計算,以探索如半導體,陶瓷,金屬,礦物第一原理量子力學計算,以探索如半導體,陶瓷,金屬,礦物和沸石等材料的晶體和表面性質(zhì)。和沸石等材料的晶體和表面性質(zhì)。 典型的應用包括表面化學,鍵結(jié)構(gòu),態(tài)密度和光學性質(zhì)等典型的應用包括表面化學,鍵結(jié)構(gòu),態(tài)密度和光學性質(zhì)等研究,研究, CASTAPCASTAP也

2、可用于研究體系的電荷密度和波函數(shù)的也可用于研究體系的電荷密度和波函數(shù)的3D3D形形式。此外,式。此外, CASTAPCASTAP可用于有效研究點缺陷(空位,間隙和置可用于有效研究點缺陷(空位,間隙和置換雜質(zhì))和擴展缺陷(如晶界和位錯)的性質(zhì)。換雜質(zhì))和擴展缺陷(如晶界和位錯)的性質(zhì)。 Material StudioMaterial Studio使用組件對話框中的使用組件對話框中的CASTAPCASTAP選項允許準選項允許準備,啟動,分析和監(jiān)測備,啟動,分析和監(jiān)測CASTAPCASTAP服役工作。服役工作。計算:允許選擇計算選項(如基集,交換關聯(lián)勢和收斂判據(jù)),計算:允許選擇計算選項(如基集,交

3、換關聯(lián)勢和收斂判據(jù)),作業(yè)控制和文檔控制。作業(yè)控制和文檔控制。分析:允許處理和演示分析:允許處理和演示CASTAPCASTAP計算結(jié)果。這一工具提供加速整計算結(jié)果。這一工具提供加速整體直觀化以及鍵結(jié)構(gòu)圖,態(tài)密度圖形和光學性質(zhì)圖形。體直觀化以及鍵結(jié)構(gòu)圖,態(tài)密度圖形和光學性質(zhì)圖形。CASTAPCASTAP的任務的任務 CASTAPCASTAP計算的主要任務:計算的主要任務:單點能計算,幾何優(yōu)化或分子動力學單點能計算,幾何優(yōu)化或分子動力學??商峁┻@些計算中的每一個以便產(chǎn)生特定的物理性能。性質(zhì)為一種附可提供這些計算中的每一個以便產(chǎn)生特定的物理性能。性質(zhì)為一種附加的任務,允許重新開始已完成的計算以便產(chǎn)生

4、最初沒有提出的額外加的任務,允許重新開始已完成的計算以便產(chǎn)生最初沒有提出的額外性能。性能。在在CASTAPCASTAP計算中有很多運行步驟,可分為如下幾組:計算中有很多運行步驟,可分為如下幾組:* * 結(jié)構(gòu)定義結(jié)構(gòu)定義:必須規(guī)定包含所感興趣結(jié)構(gòu)的周期性的:必須規(guī)定包含所感興趣結(jié)構(gòu)的周期性的3D3D模型文件,有模型文件,有大量方法規(guī)定一種結(jié)構(gòu):可使用構(gòu)建晶體(大量方法規(guī)定一種結(jié)構(gòu):可使用構(gòu)建晶體(Build Crystal)Build Crystal)或構(gòu)建真或構(gòu)建真空板空板(Build Vacuum Stab)(Build Vacuum Stab)來構(gòu)建,也可從已經(jīng)存在的的結(jié)構(gòu)文檔中來構(gòu)建,也

5、可從已經(jīng)存在的的結(jié)構(gòu)文檔中引入,還可修正已存在的結(jié)構(gòu)。引入,還可修正已存在的結(jié)構(gòu)。注意注意: CASTAPCASTAP僅能在僅能在3D3D周期模型文件基礎上進行計算,必須構(gòu)建超周期模型文件基礎上進行計算,必須構(gòu)建超單胞,以便研究分子體系。單胞,以便研究分子體系。提示:提示: CASTAPCASTAP計算所需時間隨原子數(shù)平方的增加而增加。因此,建議計算所需時間隨原子數(shù)平方的增加而增加。因此,建議是用最小的初晶胞來描述體系,可使用是用最小的初晶胞來描述體系,可使用BuildSymmetryPrimitive BuildSymmetryPrimitive CellCell菜單選項來轉(zhuǎn)換成初晶胞。菜單

6、選項來轉(zhuǎn)換成初晶胞。 CASTAPCASTAP中選擇一項任務中選擇一項任務1 1 從模塊面板(從模塊面板(Module Explorer)Module Explorer)選擇選擇CASTAPCalculationCASTAPCalculation。2 2 選擇設置表。選擇設置表。3 3 從任務列表中選擇所要求的任務。從任務列表中選擇所要求的任務。 * * 計算設置計算設置:合適的:合適的3D3D模型文件一旦確定,必須選擇計算類型模型文件一旦確定,必須選擇計算類型和相關參數(shù),例如,對于動力學計算必須確定系綜和參數(shù),包和相關參數(shù),例如,對于動力學計算必須確定系綜和參數(shù),包括溫度,時間步長和步數(shù)。選

7、擇運行計算的磁盤并開始括溫度,時間步長和步數(shù)。選擇運行計算的磁盤并開始CASTAPCASTAP作業(yè)。作業(yè)。* * 結(jié)果分析結(jié)果分析:計算完成后,相關于:計算完成后,相關于CASTAPCASTAP作業(yè)的文檔返回用作業(yè)的文檔返回用戶,在項目面板適當位置顯示。這些文檔的一些進一步處理要戶,在項目面板適當位置顯示。這些文檔的一些進一步處理要求獲得可觀察量如光學性質(zhì)。求獲得可觀察量如光學性質(zhì)。CASTAPCASTAP能量任務能量任務CASTAPCASTAP能量任務允許計算特定體系的總能量以及物理性質(zhì)。能量任務允許計算特定體系的總能量以及物理性質(zhì)。除了總能量之外,在計算之后還可報告作用于原子上的力;也除了

8、總能量之外,在計算之后還可報告作用于原子上的力;也能創(chuàng)建電荷密度文件;利用材料觀測儀(能創(chuàng)建電荷密度文件;利用材料觀測儀(Material Material Visualizer)Visualizer)允許目測電荷密度的立體分布;還能報告計算中允許目測電荷密度的立體分布;還能報告計算中使用的使用的Monkhorst-Park的的k點的電子能量,因此在點的電子能量,因此在CASTAPCASTAP分析分析中可生成態(tài)密度圖。中可生成態(tài)密度圖。對于能夠得到可靠結(jié)構(gòu)信息的體系的電子性質(zhì)的研究,能量任對于能夠得到可靠結(jié)構(gòu)信息的體系的電子性質(zhì)的研究,能量任務是有用的。只要給定應力性質(zhì),也可用于計算沒有內(nèi)部自

9、由務是有用的。只要給定應力性質(zhì),也可用于計算沒有內(nèi)部自由度的高對稱性體系的狀態(tài)方程(即壓力度的高對稱性體系的狀態(tài)方程(即壓力- -體積,能量體積,能量- -體積關體積關系)。系)。注意注意:具有內(nèi)部自由度的體系中,利用幾何優(yōu)化(:具有內(nèi)部自由度的體系中,利用幾何優(yōu)化(Geometry Geometry Optimization)Optimization)任務可獲得狀態(tài)方程。任務可獲得狀態(tài)方程。CASTAPCASTAP中能量的缺損單位是電子伏特中能量的缺損單位是電子伏特(eV)(eV),各種能量單位的換,各種能量單位的換算關系見算關系見Mohr.P.J(2000).Mohr.P.J(2000).

10、1 eV=0.036749308 Ha=23.0605 kcal/mole=96.4853 kJ/moleCASTAPCASTAP幾何優(yōu)化任務幾何優(yōu)化任務 CASTAPCASTAP幾何優(yōu)化任務允許改善結(jié)構(gòu)的幾何,獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)幾何優(yōu)化任務允許改善結(jié)構(gòu)的幾何,獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)或多晶型物。通過一個迭代過程來完成這項任務,迭代過程中或多晶型物。通過一個迭代過程來完成這項任務,迭代過程中調(diào)整原子坐標和晶胞參數(shù)使結(jié)構(gòu)的總能量最小化。調(diào)整原子坐標和晶胞參數(shù)使結(jié)構(gòu)的總能量最小化。 CASTAPCASTAP幾何優(yōu)化是基于減小計算力和應力的數(shù)量級,直到幾何優(yōu)化是基于減小計算力和應力的數(shù)量級,直到小于規(guī)定的收斂誤差。也

11、可能給定外部應力張量來對拉應力、小于規(guī)定的收斂誤差。也可能給定外部應力張量來對拉應力、壓應力和切應力等作用下的體系行為模型化。在這些情況下壓應力和切應力等作用下的體系行為模型化。在這些情況下反反復迭復迭代內(nèi)部應力張量直到代內(nèi)部應力張量直到與所施加的外部應力相等。與所施加的外部應力相等。 幾何優(yōu)化處理產(chǎn)生的幾何優(yōu)化處理產(chǎn)生的模型結(jié)構(gòu)與真實結(jié)構(gòu)緊密模型結(jié)構(gòu)與真實結(jié)構(gòu)緊密相似。利用相似。利用CASTAPCASTAP計算的計算的晶格參數(shù)精度列于右圖。晶格參數(shù)精度列于右圖。狀態(tài)方程計算狀態(tài)方程計算在所施加靜壓力下幾何優(yōu)化可用于確定材料的體模量在所施加靜壓力下幾何優(yōu)化可用于確定材料的體模量B B和對壓力和

12、對壓力的導數(shù)的導數(shù)B B= =dB/dPdB/dP。過程包括計算理論狀態(tài)方程(過程包括計算理論狀態(tài)方程(EOSEOS),該方程描),該方程描述單胞體積與外部靜壓力的關系。工藝非常類似于真實實驗:使述單胞體積與外部靜壓力的關系。工藝非常類似于真實實驗:使用幾何優(yōu)化對話框中的應力列表將外部壓力固定。通過進行幾何用幾何優(yōu)化對話框中的應力列表將外部壓力固定。通過進行幾何優(yōu)化可以找到在此壓力下的單胞體積。隨后的優(yōu)化可以找到在此壓力下的單胞體積。隨后的P-V P-V 數(shù)據(jù)分析與實數(shù)據(jù)分析與實驗研究精確一致。描述驗研究精確一致。描述EOSEOS選擇分析表達式,其參數(shù)適于計算數(shù)選擇分析表達式,其參數(shù)適于計算數(shù)

13、據(jù)點。最流行的據(jù)點。最流行的EOSEOS形式是三階形式是三階Birch-Murnaghan Birch-Murnaghan 方程:方程: 式中式中V V0 0 為平衡體積。為平衡體積。Cohen Cohen 等進行了等進行了EOSEOS各種解析式的的各種解析式的的詳細比較研究。詳細比較研究。注意:從相應實驗中獲得的注意:從相應實驗中獲得的B B和和B B值依賴于計算使用的壓力值范值依賴于計算使用的壓力值范圍。利用金剛石壓砧獲得的實驗值通常在圍。利用金剛石壓砧獲得的實驗值通常在0-30GPa0-30GPa范圍內(nèi),因此范圍內(nèi),因此推薦理論研究也在這個范圍內(nèi)。在研究中避免使用負壓力值也推薦理論研究也

14、在這個范圍內(nèi)。在研究中避免使用負壓力值也很重要。此外,用于生成很重要。此外,用于生成P-V P-V 數(shù)據(jù)序列的壓力值可能是不均勻數(shù)據(jù)序列的壓力值可能是不均勻的,在低壓力范圍要求更精確采樣以便獲得體模量精確值。的,在低壓力范圍要求更精確采樣以便獲得體模量精確值。P-V CASTAPCASTAP動力學任務動力學任務 CASTAPCASTAP動力學任務允許模擬結(jié)構(gòu)中原子在計算力的影響下將如何移動。動力學任務允許模擬結(jié)構(gòu)中原子在計算力的影響下將如何移動。 在進行在進行CASTAPCASTAP動力學計算以前,可以選擇熱力學系綜和相應參數(shù),定義模擬動力學計算以前,可以選擇熱力學系綜和相應參數(shù),定義模擬時間

15、和模擬溫度。時間和模擬溫度。選擇熱力學系綜選擇熱力學系綜 對牛頓運動定律積分允許探索體系恒值能量表面(對牛頓運動定律積分允許探索體系恒值能量表面(NVENVE動力學)。然而,在動力學)。然而,在體系與環(huán)境進行熱交換條件下發(fā)生最本質(zhì)的現(xiàn)象。使用體系與環(huán)境進行熱交換條件下發(fā)生最本質(zhì)的現(xiàn)象。使用NVTNVT系綜(或者是確定性系綜(或者是確定性的的NosNos系綜或者是隨機性的系綜或者是隨機性的Langevin Langevin 系綜)可模擬該條件。系綜)可模擬該條件。定義時間步長(定義時間步長(timestep timestep )在積分算法中重要參數(shù)是時間步長。為更好利用計算時間,應使用大的時間步

16、長。在積分算法中重要參數(shù)是時間步長。為更好利用計算時間,應使用大的時間步長。然而,如果時間步長過大,則可導致積分過程的不穩(wěn)定和不精確。典型地,這表然而,如果時間步長過大,則可導致積分過程的不穩(wěn)定和不精確。典型地,這表示為運動常數(shù)的系統(tǒng)偏差。示為運動常數(shù)的系統(tǒng)偏差。注意:量子力學分子動力學計算要求比力場動力學使用更小的時間步長。注意:量子力學分子動力學計算要求比力場動力學使用更小的時間步長。動力學過程的約束動力學過程的約束CASTAPCASTAP支持支持Langevin NVTLangevin NVT或或NVENVE動力學過程的線性約束。然而,借助動力學過程的線性約束。然而,借助Material

17、 Material StudioStudio界面可以近似使用以下兩種更基本的約束:界面可以近似使用以下兩種更基本的約束: 質(zhì)心固定,單個原子固定。質(zhì)心固定,單個原子固定。 使用使用seednameseedname.cell.cell 文檔可以利用更復雜的約束。文檔可以利用更復雜的約束。 CASTAPCASTAP性質(zhì)任務性質(zhì)任務 CASTAPCASTAP性質(zhì)任務允許在完成能量,幾何優(yōu)化或動力學運行之后求出電性質(zhì)任務允許在完成能量,幾何優(yōu)化或動力學運行之后求出電子和結(jié)構(gòu)性質(zhì)??梢援a(chǎn)生的性質(zhì)如下:子和結(jié)構(gòu)性質(zhì)??梢援a(chǎn)生的性質(zhì)如下:* * 態(tài)密度(態(tài)密度(DOSDOS):利用原始模擬中產(chǎn)生的電荷密度和

18、勢能,非自恰計算價):利用原始模擬中產(chǎn)生的電荷密度和勢能,非自恰計算價帶和導帶的精細帶和導帶的精細Monkhorst-Pack Monkhorst-Pack 網(wǎng)格上的電子本征值。網(wǎng)格上的電子本征值。* * 帶結(jié)構(gòu):利用原始模擬中產(chǎn)生的電荷密度和勢能,非自恰計算價帶和導帶結(jié)構(gòu):利用原始模擬中產(chǎn)生的電荷密度和勢能,非自恰計算價帶和導帶的布里淵區(qū)高對稱性方向電子本征值。帶的布里淵區(qū)高對稱性方向電子本征值。* * 光學性質(zhì):計算電子能帶間轉(zhuǎn)變的矩陣元素。光學性質(zhì):計算電子能帶間轉(zhuǎn)變的矩陣元素。CASTAPCASTAP分析對話可用于生分析對話可用于生成包含可以測得的光學性質(zhì)的網(wǎng)格和圖形文件。成包含可以測

19、得的光學性質(zhì)的網(wǎng)格和圖形文件。* * 布局數(shù)分析:進行布局數(shù)分析:進行Mulliken Mulliken 分析。計算決定原子電荷的鍵總數(shù)和角動量分析。計算決定原子電荷的鍵總數(shù)和角動量(以及自旋極化計算所需的磁矩)。任旋地,可產(chǎn)生態(tài)密度微分計算所要(以及自旋極化計算所需的磁矩)。任旋地,可產(chǎn)生態(tài)密度微分計算所要求的分量。求的分量。* * 應力:計算應力張量,并寫入應力:計算應力張量,并寫入seedname.castepseedname.castep 文檔。文檔。 如果要進行單胞參數(shù)固定時進行幾何優(yōu)化運行和要檢查點如果要進行單胞參數(shù)固定時進行幾何優(yōu)化運行和要檢查點陣偏離平衡的程度,這些信息是有用的

20、。例如,可進行符合于陣偏離平衡的程度,這些信息是有用的。例如,可進行符合于給定體系理論基態(tài)的固定單胞的點缺陷的超晶胞研究。幾何優(yōu)給定體系理論基態(tài)的固定單胞的點缺陷的超晶胞研究。幾何優(yōu)化后的應力值顯示了與超單胞近似相關聯(lián)的彈性效應?;蟮膽χ碉@示了與超單胞近似相關聯(lián)的彈性效應。注意注意:為計算某種性質(zhì),從適當模擬得到的結(jié)果文檔必須以當:為計算某種性質(zhì),從適當模擬得到的結(jié)果文檔必須以當前的文件夾形式出現(xiàn)。前的文件夾形式出現(xiàn)。用第一原理預測用第一原理預測AIAsAIAs的晶格參數(shù)的晶格參數(shù) n本實例主要是闡明在本實例主要是闡明在Materials StudioMaterials Studio當中當

21、中如何運用量子力學來測定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。如何運用量子力學來測定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。你將從中學到如何構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)以及如何設你將從中學到如何構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)以及如何設置置CASTEPCASTEP幾何優(yōu)化運行和分析結(jié)果。幾何優(yōu)化運行和分析結(jié)果。n本實例的內(nèi)容如下:本實例的內(nèi)容如下: 1. 1. 構(gòu)建構(gòu)建AlAsAlAs的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu) 2. 2. 設置和運行設置和運行CASTEPCASTEP中的計算中的計算 3. 3. 分析結(jié)果分析結(jié)果 4. 4. 比較實驗數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)比較實驗數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)n注意注意: : 如果你的服務器沒有足夠快的如果你的服務器沒有足夠快的CPUCPU,本實例限制使用本實例限制使用CAST

22、EPCASTEP進行幾何優(yōu)化計算,進行幾何優(yōu)化計算,因為它會占用相當長的時間因為它會占用相當長的時間 。AlAl的分數(shù)坐標:的分數(shù)坐標:(0 0 0) (1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) (0 1/2 1/2)AsAs的分數(shù)坐標:的分數(shù)坐標:(3/4 3/4 3/4) (1/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 1/4) (3/4 1/4 1/4)(0 0 0)(1/2 0 1/2)(1/2 1/2 0)(0 1/2 1/2)(1/4 1/4 3/4)(3/4 1/4 1/4)(1/4 3/4 1/4)(3/4 3/4 3/4)As: (3/4 3/4 3/4)= (1/4 1/

23、4 1/4) 1. 1. 構(gòu)建構(gòu)建AlAsAlAs的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu) 空間群是空間群是F-43mn 為了構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu),我們需要知道你想要構(gòu)建的晶體為了構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu),我們需要知道你想要構(gòu)建的晶體的空間群信息,晶格參數(shù)以及它的內(nèi)部坐標。以的空間群信息,晶格參數(shù)以及它的內(nèi)部坐標。以AlAsAlAs為例,為例,它的空間群是它的空間群是F-43mF-43m或空間群數(shù)字是或空間群數(shù)字是216216。它有兩種基本元。它有兩種基本元素素AlAl和和As As ,其分數(shù)坐標分別為(,其分數(shù)坐標分別為(0 0 00 0 0)和()和(0.25 0.25 0.25 0.250.25 0.25)。它的晶格參數(shù)為)。

24、它的晶格參數(shù)為5.66225.6622埃。埃。n 第一步是構(gòu)建晶格。在第一步是構(gòu)建晶格。在Project explorerProject explorer的跟目錄上右的跟目錄上右鍵單擊,選中鍵單擊,選中New | 3D Atomistic DocumentNew | 3D Atomistic Document。接著在。接著在3D 3D Atomistic DocumentAtomistic Document右鍵單擊,把它更名為右鍵單擊,把它更名為AlAsAlAs。n 從菜單中選擇從菜單中選擇Build | Crystals | Build CrystalBuild | Crystals | B

25、uild Crystal,然,然后顯示出后顯示出Build CrystalBuild Crystal對話框,如下:對話框,如下: 在Enter group中選擇F-43m或在Enter group中單擊,然后鍵入216,再按下TAB鍵.(空間群信息框中的信息也隨著F-43m空間群的信息而發(fā)生變化 ) 選擇選擇Lattice Parameters標簽,標簽,把把a的數(shù)值從的數(shù)值從10.00改為改為5.662。單擊單擊Build按鈕。按鈕。 一個沒有原子一個沒有原子的晶格就在的晶格就在3D model document中中顯示出來。顯示出來。單擊此圖標,單擊此圖標,然后可旋轉(zhuǎn)然后可旋轉(zhuǎn)晶格,顯示晶

26、格,顯示其立體結(jié)構(gòu)。其立體結(jié)構(gòu)。n從菜單欄中選擇從菜單欄中選擇Build | Add Atoms。通過它,我們可以把原子通過它,我們可以把原子添加到指定的位置,其對話框如下:添加到指定的位置,其對話框如下: 在在Add Atoms對話框中選擇對話框中選擇Options標簽,確定標簽,確定Coordinate system為為Fractional。如上所示。選擇。如上所示。選擇AtomsAtoms標簽,在標簽,在ElementElement文文本框中鍵入本框中鍵入Al,然后按下,然后按下Add按鈕,鋁原子就添加到結(jié)構(gòu)中了。按鈕,鋁原子就添加到結(jié)構(gòu)中了。 單擊此圖標,單擊此圖標,出現(xiàn)添加原子出現(xiàn)添

27、加原子Add Atoms 對對話框。選擇原話框。選擇原子名稱,輸入子名稱,輸入分數(shù)坐標,按分數(shù)坐標,按Add,則原子,則原子添加到晶體結(jié)添加到晶體結(jié)構(gòu)圖中。重復構(gòu)圖中。重復操作,直到添操作,直到添加完晶胞中的加完晶胞中的所有原子。關所有原子。關閉閉Add Atoms框。框。 在在Element文本框中鍵入文本框中鍵入As。在。在a, b, c文本框中鍵入文本框中鍵入0.25。按按Add按鈕。按鈕。關閉對話框。關閉對話框。 原子添加完畢,我們再使用對稱操作工具來構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)原子添加完畢,我們再使用對稱操作工具來構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)當中剩余的原子。這些原子也顯示在鄰近的單胞中。當然,我當中剩余的原子。這些

28、原子也顯示在鄰近的單胞中。當然,我們也可以通過重新建造晶體結(jié)構(gòu)來移去這些原子。們也可以通過重新建造晶體結(jié)構(gòu)來移去這些原子。 從菜單欄中選擇從菜單欄中選擇Build | Crystals | Rebuild Crystal.,按下,按下Rebuild按鈕。按鈕。在顯示出的晶體結(jié)構(gòu)中那些原子就被移走了。我在顯示出的晶體結(jié)構(gòu)中那些原子就被移走了。我們可以把顯示方式變?yōu)閭兛梢园扬@示方式變?yōu)锽all and Stick。 在模型文檔中右鍵單擊,選擇在模型文檔中右鍵單擊,選擇Display Styles,按下,按下Ball and stick按鈕。按鈕。關閉對話框。關閉對話框。 在在3D視窗中的晶體結(jié)構(gòu)是

29、晶胞,它顯示的是格子的立方對視窗中的晶體結(jié)構(gòu)是晶胞,它顯示的是格子的立方對稱。如果存在的話,稱。如果存在的話,CASTEP使用的則是格子的全部對稱使用的則是格子的全部對稱. . 既包含有兩個原子的原胞和包含有既包含有兩個原子的原胞和包含有8個原子的晶胞是相對應的個原子的晶胞是相對應的. .不論單胞如何定義,電荷密度,鍵長,每一類原子的總體能量不論單胞如何定義,電荷密度,鍵長,每一類原子的總體能量都是一樣的,并且由于使用了較少的原子都是一樣的,并且由于使用了較少的原子 ,使計算時間得以減少使計算時間得以減少。 在晶體圖上按右鍵,選Display Style,然后選Ball and stick。A

30、lAs晶胞顯示為在晶體圖上按右鍵,選Label,在出現(xiàn)的對話框中選ElementSymbol。按apply,晶胞上顯示元素符合。從菜單欄中選擇Build | Symmetry | Primitive Cell。在模型文檔中顯示如下: AlAs的原胞 2設置和運行設置和運行CASTEP中的計算中的計算 從工具欄中選擇CASTEP 工具,再選擇Calculation或從菜單欄中選擇Modules | CASTEP |Calculation。CASTEP Calculation對話框如下: 下面我們將要優(yōu)化它的幾何結(jié)構(gòu)。把Task改為Geometry Optimization ,把Quality改為

31、coarse。 優(yōu)化當中的默認設置是優(yōu)化原子坐標.盡管如此,在本例中我們不僅要優(yōu)化原子坐標也要優(yōu)化晶格. 按下Task右側(cè)的More.按鈕, 選中Optimize Cell。關閉對話框.當我們改變Quality時,其他的參數(shù)也會有所改變來反映Quality的改變。選擇Properties標簽,可從中指定我們想要計算的屬性。選中Band structure和Density of states。另外,我們也可以具體指明job control選項,例如實時更新等。選擇Job Control標簽,選中More.按鈕。在CASTEP Job Control Options對話框中,把Update 的時間

32、間隔改為30秒。關閉對話框。 按下Run按鈕,關閉對話框。 幾秒鐘之后,在Project Explorer中出現(xiàn)一個新的文件,它包含所有的運行結(jié)果。一個工作日志窗口也會出現(xiàn),它包含工作的運行狀 態(tài)。我們也可以從Job Explorer中得到工作運行狀況的信息。計算過程中出現(xiàn)下面兩個表示能量收斂的圖框。計算結(jié)束后出現(xiàn)下面提示,表示計算成功。此輸出文本文檔為AlAs.castep,包含優(yōu)化信息。從菜單欄中選擇View | Explorers | Job Explorer。 Job Explorer中所顯示的是與此項目相關聯(lián)的當正在運行的工作的狀態(tài)。它所顯示的有用信息有服務器和工作識別數(shù)字。如果需要

33、的話,我們也可以通過Job Explorer來終止當前工作的運行。 在工作運行中,會有四個文檔打開,它們分程傳遞關于工作狀態(tài)的信息。這些文檔包括顯示在優(yōu)化過程中模型更新時的晶體結(jié)構(gòu),傳遞工作設置參數(shù)信息和運行信息的狀態(tài)文檔,總體能量圖和能量,力, 應力的收斂以及起重復數(shù)作用的位移。 工作結(jié)束時,這些文件反還給用戶。但是由于某個文件可能很大,也許要耗費教長的時間。3 分析結(jié)果分析結(jié)果當我們得到結(jié)果是,可能包含數(shù)個文檔,它們有:(1) AlAs.xsd最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)。 (2) AlAs Trajectory.xtd軌線文件,包含每一個優(yōu)化步驟后的結(jié)構(gòu)。 運算完畢后,輸出結(jié)果如下:運算完畢后,輸出結(jié)果

34、如下:其中,第四行的文檔為其中,第四行的文檔為AlAs.xsdAlAs.xsd既最終的優(yōu)化結(jié)構(gòu),第九行為既最終的優(yōu)化結(jié)構(gòu),第九行為AlAs.paramAlAs.param文檔,第十行為文檔,第十行為AlAs.castepAlAs.castep文檔。文檔。 在在Project ExplorerProject Explorer中,單擊中,單擊AlAs.castepAlAs.castep把它擊活把它擊活. .在菜單欄在菜單欄中選擇中選擇Edit | Find.Edit | Find.,在文本,在文本框中鍵入框中鍵入convergedconverged。按下。按下Find Find NextNext按

35、鈕。重復按下按鈕。重復按下Find NextFind Next按按鈕,直到完成搜索文件的對話框鈕,直到完成搜索文件的對話框出現(xiàn)。在出現(xiàn)。在FindFind對話框中,按下對話框中,按下OkOk和和CancelCancel按鈕。按鈕。 ( (3) AlAs.castep(3) AlAs.castep 一個輸出文本文檔,包含優(yōu)化信息。( (4) AlAs.param(4) AlAs.param 輸入模擬信息。 對于任一個屬性的計算,都會包含有* *.param.param和* *.castep.castep文檔。 4比較實驗數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)比較實驗數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu) 從我們最初創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)單元可以得知,晶格長度應為

36、5.662埃。所以我們可以比較最小化后的晶格長度和初始時的實驗長度。而根據(jù)實驗得到的實驗長度是基于常規(guī)的單元,而非原胞。所以我們需要我們所創(chuàng)建的單元。 雙擊AlAs.xsd文件,把它擊活。從菜單欄中選擇Build | Symmetry | Conventional Cell。 在屏幕上顯示出常規(guī)的單元。有數(shù)種方法可以觀測出晶格常數(shù),但最簡單的方法是打開Lattice Parameters對話框。 在模型文檔單擊右鍵,選擇Lattice Parameters。 其點陣矢量大約為5.629,誤差為-0.6%。與實驗結(jié)果相比較,這個誤差在贗勢平面波方法所預期的誤差1%2%之內(nèi)。在繼續(xù)下面的操作之前,先保存項目,再關閉所有窗口。 在菜單欄中選擇File | Save Project,然后選擇Windows | Close All。 可視化電荷密度可視化電荷密度 :從CASTEP Analysis工具中得電荷密度。 從工具欄選擇CASTEP ,然后選擇Analysis或從菜單欄選擇Modules | CASTEP | Analysis,再選中Electro

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