中科大MaterialsStudio培訓教程16(包你學會)請將這一系列全看完,一定有收獲

1、 背景背景: : 當前，可應用于大周期性體系的密度泛函理論（當前，可應用于大周期性體系的密度泛函理論（DFTDFT）取得了顯著的）取得了顯著的進展，已經(jīng)成為解決材料設計、加工中難題的有效方法。人們依據(jù)這個理進展，已經(jīng)成為解決材料設計、加工中難題的有效方法。人們依據(jù)這個理論可以使解釋實驗數(shù)據(jù)，預測新晶體的結構、結合能和表面活性等基本性論可以使解釋實驗數(shù)據(jù)，預測新晶體的結構、結合能和表面活性等基本性質(zhì)。這些工具可以用來指導設計新材料，允許研究人員理解基本的化學和質(zhì)。這些工具可以用來指導設計新材料，允許研究人員理解基本的化學和物理過程。物理過程。緒論緒論: : 在本教程中，將學習如何使用在本教程中，

2、將學習如何使用CASTEPCASTEP來計算彈性常數(shù)和其他的力學來計算彈性常數(shù)和其他的力學性能。首先我們要優(yōu)化性能。首先我們要優(yōu)化BNBN立方晶體的結構，然后計算它的彈性常數(shù)。立方晶體的結構，然后計算它的彈性常數(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立方晶體的結構立方晶體的結構 2 2 計算計算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)文件的描述使用使用CASTEPCASTEP計算計算BNBN的彈性常數(shù)的彈性常數(shù)目的：目的： 使用使用 CASTEP CASTEP 計算彈性常數(shù)計算彈性常數(shù)模塊：模塊： Materials Visuali

3、zer, CASTEPMaterials Visualizer, CASTEP前提：前提： 已使用已使用first principlesfirst principles預測了預測了AlAsAlAs的晶格常數(shù)的晶格常數(shù)1. 1. 優(yōu)化優(yōu)化BNBN立方晶體的結構立方晶體的結構 在計算彈性常數(shù)之前并不一定要進行幾何優(yōu)化，可以由實驗觀測到的在計算彈性常數(shù)之前并不一定要進行幾何優(yōu)化，可以由實驗觀測到的結構計算出結構計算出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果，進而計算與理論基態(tài)對應的彈性常數(shù)。更多相容的結果，進

4、而計算與理論基態(tài)對應的彈性常數(shù)。 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計算的計算的品質(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)。所以我們設置SCFSCF、k k點取樣和點取樣和FFTFFT格子的精度為格子的精度為FineFine。 首先導入首先導入BNBN結構結構 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/semiconductorsstructur

5、es/semiconductors中中選中選中BN.msiBN.msi，按，按ImportImport按鈕，按鈕，輸入輸入BNBN的晶體結構，見右圖。的晶體結構，見右圖。 為了節(jié)省計算時間，由為了節(jié)省計算時間，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)在設置幾何優(yōu)化現(xiàn)在設置

6、幾何優(yōu)化 從工具欄中選擇從工具欄中選擇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標簽中，把標簽中，把TaskTask設置為設置為Geometry OptimizationGeometry Optimization，把，把Quality

7、Quality 設設置為置為FineFine，并且把，并且把FunctionalFunctional設置為設置為GGA GGA and PW91and PW91。 按下按下moremore按鈕，選中按鈕，選中Optimize cellOptimize cell。關閉關閉CASTEP Geometry OptimizationCASTEP Geometry Optimization對話對話框?？?。 選擇選擇ElectronicElectronic標簽，按下標簽，按下More.More.按鈕以得到按鈕以得到CASTEP Electronic CASTEP Electronic OptionsOpt

8、ions對話框。把對話框。把Derived gridDerived grid的設置從的設置從StandardStandard改為改為FineFine。關閉。關閉CASTEP Electronic OptionsCASTEP Electronic Options對話框。對話框。 選擇選擇Job ControlJob Control標簽，設定本地機運算。標簽，設定本地機運算。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，此結構的晶胞參數(shù)應為優(yōu)化之后，此結構的晶胞參數(shù)應為a=b=c=2.574a=b=c=2.5

9、74?，F(xiàn)在我們可以繼。現(xiàn)在我們可以繼續(xù)計算優(yōu)化結構的彈性常數(shù)。續(xù)計算優(yōu)化結構的彈性常數(shù)。 或按右鍵顯示或按右鍵顯示2. 2. 計算計算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標簽，標簽，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 C

10、ASTEP Elastic ConstantsElastic 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運行。運行。 CASTEPCASTEP的彈性常數(shù)計算任務的的彈性常數(shù)計算任務的結果以一批結果以一批.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文件都給出。這些文件中的每一個文件都代表確定的晶胞在假設的應變模式代表確定的晶胞在假設的應變模式和應變振幅下的幾何優(yōu)化運行結果。和應變振幅

11、下的幾何優(yōu)化運行結果。這 些 文 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代表當前的應變模式，代表當前的應變模式，n n代表當前的應變振幅。代表當前的應變振幅。 6僅取一種應僅取一種應變模式變模式 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)計算工作中得到的結果文件的彈性常數(shù)計算工作中得到的結果文件BN.castepBN.castep應應自動顯示在自動顯示在Result

12、s fileResults file選框中。按下選框中。按下CalculateCalculate按按鈕。計算結束后產(chǎn)生一個新的文檔鈕。計算結束后產(chǎn)生一個新的文檔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：* *輸入的應變和計算出的應力的總結輸入的應變和計算出的應力的總結* *每一種應變模式線性擬合和擬合質(zhì)量的計算結果每一種應變模式線性擬合和擬合質(zhì)量的計算結果* *給定對稱性下計算出的應力與彈性常數(shù)之間的對應給定對稱性下計算出的應力與彈性常數(shù)之間的對應* *彈性常數(shù)彈性常數(shù)CijCij和彈性柔量和彈性柔量

13、SijSij的表格的表格* *導出量：體積模量和其倒數(shù)、壓縮系數(shù)、楊氏模量、導出量：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可以使用這些結果來分析每一個運行計算出來的壓力張量，產(chǎn)生可以使用這些結果來分析每一個運行計算出來的壓力張量，產(chǎn)生一個有關彈性性質(zhì)的文件。一個有關彈性性質(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 |

14、 CASTEP | AnalysisModules | CASTEP | Analysis。3 3 彈性常數(shù)文件的描述彈性常數(shù)文件的描述 對于這種點陣類型，需要考慮兩種應變模式對于這種點陣類型，需要考慮兩種應變模式( (本教程只計算了一種本教程只計算了一種) )。對。對于每一種應變模式，都有一個計算出的應力的總結于每一種應變模式，都有一個計算出的應力的總結( (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 stres

15、ses * Strain pattern: 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 -7.0942

16、63 提供了應力，應變的組成和彈性常數(shù)張量之間聯(lián)系的所有信息。在這一階段，每一個彈性常數(shù)均有一個簡潔的指數(shù)代表而不是由一對ij指數(shù)代表。稍后會在文件夾中給出壓縮符和常規(guī)的指數(shù)標定之間 的對應。 和彈性系數(shù)相對應的應力 (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力組成的應力-應變線性適配關系: Stress Cij value of value of index index stress strain 1 1 -4.990578 -0.003000 1 1 -5.949042

17、 -0.001800 1 1 -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。 在進一步的分析中沒有使用壓力的切點值, 它很簡單的指示出收斂的基

18、態(tài)離最初的結構有多遠。 所有應變模式的結果總結如下： = 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 w

19、ith fitting a straight 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 0.000000

20、0 0.0000000 -0.0002075 -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

21、.00000 0.00000 0.00000 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 = 362.1

22、1330 +/- 0.593 (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預測鍺的熱力學屬性背景 線性響應

23、或密度功能混亂理論是點陣動力學從頭開始計算中最受歡迎的方法之一，盡管如此，這種方法的應用已經(jīng)擴充到對振動屬性的研究。線性響應提供了一種分析方法用于計算給定混亂的二級派生的整體能量?？梢杂嬎愠鲈S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力矩陣和聲子；在磁場中引起NMR效應；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性效應等。 在本指南中，我們將要學習為了計算聲子散射和能態(tài)密度以及預測熱力學屬性如焓和自由能，如何使用CASTEP來完成線性響應計算。 本指南主要包含以下內(nèi)容： 1 優(yōu)化鍺單胞的結構 2 計算聲子散射和能態(tài)密度 3顯示聲子散射和能態(tài)密度 4顯示熱力學屬性 1 優(yōu)化鍺

24、單胞的結構 首先我們要導入鍺的結構，它包含在Materials Studio所提供的結構庫中。 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)換為原胞結構后，對它的計算會更快。 從菜單欄中選擇Build | Symmetry | Primitive Cell。鍺的原胞結構如右所示：現(xiàn)在開始使用CASTEP來優(yōu)化鍺的幾何結構。 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

25、話框如下：幾何優(yōu)化的默認值不包括對單胞的優(yōu)化。 在Setup標簽上，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標簽，把Energy cutoff 設置為Ultra-fine，把SCF tolerance設置為 Ultra-fine，把k-point set 設置為Coarse以及把Pseudo-potentials設置為 Norm-conserving。 選中Job Control標簽

26、。選擇你想要在其上運行工作的Gateway location。把Runtime optimization設置為Speed。按下Run按鈕開始運行。工作遞交后開始運行。它大概需要2分鐘時間，這主要取決于你的電腦的速度。結果放在一個被稱為Ge CASTEP GeomOpt的新文件夾中。 2 計算聲子散射和能態(tài)密度為了計算聲子散射和聲子的能態(tài)密度，在從CASTEP Calculation對話框的Properties標簽選定適當?shù)膶傩院?，我們必須完成一個單點能量計算。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

27、標簽，把Task設置為Energy。選擇Electronic標簽，按下More按鈕，顯示出CASTEP Electronic Options對話框。選擇SCF標簽，勾選上Fix occupancy。關閉CASTEP Electronic Options對話框。在CASTEP Calculation對話框中選定Properties標簽。選擇Phonon dispersion并且把q-vector set設置為medium。選擇Phonon density of states并且把q-vector set設置為medium。選中Job Control標簽。選擇你想要在其上運行工作的Gateway

28、location。按下Run按鈕。在Ge CASTEP GeomOpt文件夾中創(chuàng)建了一個名為Ge CASTEP Energy的新文件。當能量計算完成后，兩個新文件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驗中獲得。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算方法的預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

29、系的電子聲子交感作用可以通過隧道實驗直接測量。所以能夠從第一原理計算出聲子的態(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.phonon文件會和每一個擁有PhonDisp或PhonDOS后綴的.castep文件一起產(chǎn)生?，F(xiàn)在，我們使用先前的計算結果來創(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

30、的是Ge_PhononDisp.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 果 文 檔 中 創(chuàng) 建 了 一 個 新 的 圖 形 文 檔 G e P h o n o n Dispersion.xcd。它應和下圖相似：聲子散射的實驗圖如下所示： 預測的頻率可從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。 結果文件中的部分內(nèi)容如下所示： = + Vibra

31、tional Frequencies + - + + + 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 0.3

32、00000 0.700000) 0.038462 + + Effective cut-off = 246.7136 EV + + - - + 每一個q點和每一個分支（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，同時也給出了q點在倒易空間中的位置。高對稱性點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)。這些點和q點12, 6 以及19相對應。預測的頻率（cm-1）和實驗的頻率（cm-1）如下：總體來說，計算的精度是可以接受的。在Gamma點錯誤的聲學波頻率，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點格子的計算，我們可以獲得更加另人滿意的實驗結果。 現(xiàn)在創(chuàng)建