castep應(yīng)用：用第一原理預(yù)測AIAs的晶格參數(shù)

1、CASTEPCASTEP概述概述關(guān)于關(guān)于CASTAPCASTAP CASTAPCASTAP是特別為固體材料學(xué)而設(shè)計(jì)的一個(gè)現(xiàn)代的量子力是特別為固體材料學(xué)而設(shè)計(jì)的一個(gè)現(xiàn)代的量子力學(xué)基本程序，其使用了密度泛函學(xué)基本程序，其使用了密度泛函(DFT(DFT）平面波贗勢方法，進(jìn)行）平面波贗勢方法，進(jìn)行第一原理量子力學(xué)計(jì)算，以探索如半導(dǎo)體，陶瓷，金屬，礦物第一原理量子力學(xué)計(jì)算，以探索如半導(dǎo)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(yīng)用包括表面化學(xué)，鍵結(jié)構(gòu)，態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)等典型的應(yīng)用包括表面化學(xué)，鍵結(jié)構(gòu)，態(tài)密度和光學(xué)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(diǎn)缺陷（空位，間隙和置可用于有效研究點(diǎn)缺陷（空位，間隙和置換雜質(zhì)）和擴(kuò)展缺陷（如晶界和位錯(cuò)）的性質(zhì)。換雜質(zhì)）和擴(kuò)展缺陷（如晶界和位錯(cuò)）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(xiàng)允許準(zhǔn)選項(xiàng)允許準(zhǔn)備，啟動(dòng)，分析和監(jiān)測備，啟動(dòng)，分析和監(jiān)測CASTAPCASTAP服役工作。服役工作。計(jì)算：允許選擇計(jì)算選項(xiàng)（如基集，交換關(guān)聯(lián)勢和收斂判據(jù)），計(jì)算：允許選擇計(jì)算選項(xiàng)（如基集，交

3、換關(guān)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(jì)算結(jié)果。這一工具提供加速整計(jì)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(xué)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(xué)性質(zhì)圖形。CASTAPCASTAP的任務(wù)的任務(wù) CASTAPCASTAP計(jì)算的主要任務(wù)：計(jì)算的主要任務(wù)：單點(diǎn)能計(jì)算，幾何優(yōu)化或分子動(dòng)力學(xué)單點(diǎn)能計(jì)算，幾何優(yōu)化或分子動(dòng)力學(xué)?？商峁┻@些計(jì)算中的每一個(gè)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(jì)算中的每一個(gè)以便產(chǎn)生特定的物理性能。性質(zhì)為一種附加的任務(wù)，允許重新開始已完成的計(jì)算以便產(chǎn)生

4、最初沒有提出的額外加的任務(wù)，允許重新開始已完成的計(jì)算以便產(chǎn)生最初沒有提出的額外性能。性能。在在CASTAPCASTAP計(jì)算中有很多運(yùn)行步驟，可分為如下幾組：計(jì)算中有很多運(yùn)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(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，必須構(gòu)建超周期模型文件基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)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(jì)算所需時(shí)間隨原子數(shù)平方的增加而增加。因此，建議計(jì)算所需時(shí)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(xiàng)來轉(zhuǎn)換成初晶胞。菜單

6、選項(xiàng)來轉(zhuǎn)換成初晶胞。 CASTAPCASTAP中選擇一項(xiàng)任務(wù)中選擇一項(xiàng)任務(wù)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(shè)置表。選擇設(shè)置表。3 3 從任務(wù)列表中選擇所要求的任務(wù)。從任務(wù)列表中選擇所要求的任務(wù)。 * * 計(jì)算設(shè)置計(jì)算設(shè)置：合適的：合適的3D3D模型文件一旦確定，必須選擇計(jì)算類型模型文件一旦確定，必須選擇計(jì)算類型和相關(guān)參數(shù)，例如，對于動(dòng)力學(xué)計(jì)算必須確定系綜和參數(shù)，包和相關(guān)參數(shù)，例如，對于動(dòng)力學(xué)計(jì)算必須確定系綜和參數(shù)，包括溫度，時(shí)間步長和步數(shù)。選

7、擇運(yùn)行計(jì)算的磁盤并開始括溫度，時(shí)間步長和步數(shù)。選擇運(yùn)行計(jì)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(jì)算完成后，相關(guān)于：計(jì)算完成后，相關(guān)于CASTAPCASTAP作業(yè)的文檔返回用作業(yè)的文檔返回用戶，在項(xiàng)目面板適當(dāng)位置顯示。這些文檔的一些進(jìn)一步處理要戶，在項(xiàng)目面板適當(dāng)位置顯示。這些文檔的一些進(jìn)一步處理要求獲得可觀察量如光學(xué)性質(zhì)。求獲得可觀察量如光學(xué)性質(zhì)。CASTAPCASTAP能量任務(wù)能量任務(wù)CASTAPCASTAP能量任務(wù)允許計(jì)算特定體系的總能量以及物理性質(zhì)。能量任務(wù)允許計(jì)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(jì)算之后還可報(bào)告作用于原子上的力；也除了

8、總能量之外，在計(jì)算之后還可報(bào)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(bào)告計(jì)算中允許目測電荷密度的立體分布；還能報(bào)告計(jì)算中使用的使用的Monkhorst-Park的的k點(diǎn)的電子能量，因此在點(diǎn)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(wù)是有用的。只要給定應(yīng)力性質(zhì)，也可用于計(jì)算沒有內(nèi)部自

9、由務(wù)是有用的。只要給定應(yīng)力性質(zhì)，也可用于計(jì)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(guān)體積關(guān)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(wù)可獲得狀態(tài)方程。任務(wù)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(guān)系見算關(guān)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(wù)幾何優(yōu)化任務(wù) CASTAPCASTAP幾何優(yōu)化任務(wù)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(wù)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(gè)迭代過程來完成這項(xiàng)任務(wù)，迭代過程中或多晶型物。通過一個(gè)迭代過程來完成這項(xiàng)任務(wù)，迭代過程中調(diào)整原子坐標(biāo)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(biāo)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(jì)算力和應(yīng)力的數(shù)量級，直到幾何優(yōu)化是基于減小計(jì)算力和應(yīng)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(yīng)力張量來對拉應(yīng)力、小于規(guī)定的收斂誤差。也可能給定外部應(yīng)力張量來對拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和切應(yīng)力等作用下的體系行為模型化。在這些情況下壓應(yīng)力和切應(yīng)力等作用下的體系行為模型化。在這些情況下反反復(fù)迭復(fù)迭代內(nèi)部應(yīng)力張量直到代內(nèi)部應(yīng)力張量直到與所施加的外部應(yīng)力相等。與所施加的外部應(yīng)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(shí)結(jié)構(gòu)緊密模型結(jié)構(gòu)與真實(shí)結(jié)構(gòu)緊密相似。利用相似。利用CASTAPCASTAP計(jì)算的計(jì)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(jì)算狀態(tài)方程計(jì)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(dǎo)數(shù)的導(dǎo)數(shù)B B= =dB/dPdB/dP。過程包括計(jì)算理論狀態(tài)方程（過程包括計(jì)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(guān)系。工藝非常類似于真實(shí)實(shí)驗(yàn)：使述單胞體積與外部靜壓力的關(guān)系。工藝非常類似于真實(shí)實(shí)驗(yàn)：使用幾何優(yōu)化對話框中的應(yīng)力列表將外部壓力固定。通過進(jìn)行幾何用幾何優(yōu)化對話框中的應(yīng)力列表將外部壓力固定。通過進(jìn)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(shí)數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)研究精確一致。描述驗(yàn)研究精確一致。描述EOSEOS選擇分析表達(dá)式，其參數(shù)適于計(jì)算數(shù)選擇分析表達(dá)式，其參數(shù)適于計(jì)算數(shù)

13、據(jù)點(diǎn)。最流行的據(jù)點(diǎn)。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(jìn)行了等進(jìn)行了EOSEOS各種解析式的的各種解析式的的詳細(xì)比較研究。詳細(xì)比較研究。注意：從相應(yīng)實(shí)驗(yàn)中獲得的注意：從相應(yīng)實(shí)驗(yàn)中獲得的B B和和B B值依賴于計(jì)算使用的壓力值范值依賴于計(jì)算使用的壓力值范圍。利用金剛石壓砧獲得的實(shí)驗(yàn)值通常在圍。利用金剛石壓砧獲得的實(shí)驗(yàn)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(gè)范圍內(nèi)。在研究中避免使用負(fù)壓力值也推薦理論研究也

14、在這個(gè)范圍內(nèi)。在研究中避免使用負(fù)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(dòng)力學(xué)任務(wù)動(dòng)力學(xué)任務(wù) CASTAPCASTAP動(dòng)力學(xué)任務(wù)允許模擬結(jié)構(gòu)中原子在計(jì)算力的影響下將如何移動(dòng)。動(dòng)力學(xué)任務(wù)允許模擬結(jié)構(gòu)中原子在計(jì)算力的影響下將如何移動(dòng)。 在進(jìn)行在進(jìn)行CASTAPCASTAP動(dòng)力學(xué)計(jì)算以前，可以選擇熱力學(xué)系綜和相應(yīng)參數(shù)，定義模擬動(dòng)力學(xué)計(jì)算以前，可以選擇熱力學(xué)系綜和相應(yīng)參數(shù)，定義模擬時(shí)間

15、和模擬溫度。時(shí)間和模擬溫度。選擇熱力學(xué)系綜選擇熱力學(xué)系綜 對牛頓運(yùn)動(dòng)定律積分允許探索體系恒值能量表面（對牛頓運(yùn)動(dòng)定律積分允許探索體系恒值能量表面（NVENVE動(dòng)力學(xué)）。然而，在動(dòng)力學(xué)）。然而，在體系與環(huán)境進(jìn)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(jìn)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(jī)性的系綜或者是隨機(jī)性的Langevin Langevin 系綜）可模擬該條件。系綜）可模擬該條件。定義時(shí)間步長（定義時(shí)間步長（timestep timestep ）在積分算法中重要參數(shù)是時(shí)間步長。為更好利用計(jì)算時(shí)間，應(yīng)使用大的時(shí)間步

16、長。在積分算法中重要參數(shù)是時(shí)間步長。為更好利用計(jì)算時(shí)間，應(yīng)使用大的時(shí)間步長。然而，如果時(shí)間步長過大，則可導(dǎo)致積分過程的不穩(wěn)定和不精確。典型地，這表然而，如果時(shí)間步長過大，則可導(dǎo)致積分過程的不穩(wěn)定和不精確。典型地，這表示為運(yùn)動(dòng)常數(shù)的系統(tǒng)偏差。示為運(yùn)動(dòng)常數(shù)的系統(tǒng)偏差。注意：量子力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算要求比力場動(dòng)力學(xué)使用更小的時(shí)間步長。注意：量子力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算要求比力場動(dòng)力學(xué)使用更小的時(shí)間步長。動(dòng)力學(xué)過程的約束動(dòng)力學(xué)過程的約束CASTAPCASTAP支持支持Langevin NVTLangevin NVT或或NVENVE動(dòng)力學(xué)過程的線性約束。然而，借助動(dòng)力學(xué)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(gè)原子固定。質(zhì)心固定，單個(gè)原子固定。 使用使用seednameseedname.cell.cell 文檔可以利用更復(fù)雜的約束。文檔可以利用更復(fù)雜的約束。 CASTAPCASTAP性質(zhì)任務(wù)性質(zhì)任務(wù) CASTAPCASTAP性質(zhì)任務(wù)允許在完成能量，幾何優(yōu)化或動(dòng)力學(xué)運(yùn)行之后求出電性質(zhì)任務(wù)允許在完成能量，幾何優(yōu)化或動(dòng)力學(xué)運(yùn)行之后求出電子和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。可以產(chǎn)生的性質(zhì)如下：子和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。可以產(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(jì)算價(jià)）：利用原始模擬中產(chǎn)生的電荷密度和勢能，非自恰計(jì)算價(jià)帶和導(dǎo)帶的精細(xì)帶和導(dǎo)帶的精細(xì)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(jì)算價(jià)帶和導(dǎo)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(jì)算價(jià)帶和導(dǎo)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(xué)性質(zhì)：計(jì)算電子能帶間轉(zhuǎn)變的矩陣元素。光學(xué)性質(zhì)：計(jì)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(xué)性質(zhì)的網(wǎng)格和圖形文件。成包含可以測

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

20、。例如，可進(jìn)行符合于陣偏離平衡的程度，這些信息是有用的。例如，可進(jìn)行符合于給定體系理論基態(tài)的固定單胞的點(diǎn)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(diǎn)缺陷的超晶胞研究。幾何優(yōu)化后的應(yīng)力值顯示了與超單胞近似相關(guān)聯(lián)的彈性效應(yīng)。化后的應(yīng)力值顯示了與超單胞近似相關(guān)聯(lián)的彈性效應(yīng)。注意注意：為計(jì)算某種性質(zhì)，從適當(dāng)模擬得到的結(jié)果文檔必須以當(dāng)：為計(jì)算某種性質(zhì)，從適當(dāng)模擬得到的結(jié)果文檔必須以當(dāng)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(yù)測用第一原理預(yù)測AIAsAIAs的晶格參數(shù)的晶格參數(shù) n本實(shí)例主要是闡明在本實(shí)例主要是闡明在Materials StudioMaterials Studio當(dāng)中當(dāng)

21、中如何運(yùn)用量子力學(xué)來測定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。如何運(yùn)用量子力學(xué)來測定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。你將從中學(xué)到如何構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)以及如何設(shè)你將從中學(xué)到如何構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)以及如何設(shè)置置CASTEPCASTEP幾何優(yōu)化運(yùn)行和分析結(jié)果。幾何優(yōu)化運(yùn)行和分析結(jié)果。n本實(shí)例的內(nèi)容如下：本實(shí)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(shè)置和運(yùn)行設(shè)置和運(yùn)行CASTEPCASTEP中的計(jì)算中的計(jì)算 3. 3. 分析結(jié)果分析結(jié)果 4. 4. 比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)n注意注意: : 如果你的服務(wù)器沒有足夠快的如果你的服務(wù)器沒有足夠快的CPUCPU，本實(shí)例限制使用本實(shí)例限制使用CAST

22、EPCASTEP進(jìn)行幾何優(yōu)化計(jì)算，進(jìn)行幾何優(yōu)化計(jì)算，因?yàn)樗鼤?huì)占用相當(dāng)長的時(shí)間因?yàn)樗鼤?huì)占用相當(dāng)長的時(shí)間 。AlAl的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：(0 0 0） (1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) （0 1/2 1/2）AsAs的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：(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(biāo)。以的空間群信息，晶格參數(shù)以及它的內(nèi)部坐標(biāo)。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?jǐn)?shù)坐標(biāo)分別為（，其分?jǐn)?shù)坐標(biāo)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(biāo)簽，標(biāo)簽，把把a(bǔ)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(gè)沒有原子一個(gè)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(biāo)，單擊此圖標(biāo)，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(biāo)簽，確定標(biāo)簽，確定Coordinate system為為Fractional。如上所示。選擇。如上所示。選擇AtomsAtoms標(biāo)簽，在標(biāo)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(biāo)，單擊此圖標(biāo)，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?jǐn)?shù)坐標(biāo)，按分?jǐn)?shù)坐標(biāo)，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(fù)構(gòu)圖中。重復(fù)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(guān)所有原子。關(guān)閉閉Add Atoms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(guān)閉對話框。關(guān)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(dāng)中剩余的原子。這些原子也顯示在鄰近的單胞中。當(dāng)然，我當(dāng)中剩余的原子。這些

28、原子也顯示在鄰近的單胞中。當(dāng)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(guān)閉對話框。關(guān)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(gè)原子的原胞和包含有既包含有兩個(gè)原子的原胞和包含有8個(gè)原子的晶胞是相對應(yīng)的個(gè)原子的晶胞是相對應(yīng)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(jì)算時(shí)間得以減少使計(jì)算時(shí)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(shè)置和運(yùn)行設(shè)置和運(yùn)行CASTEP中的計(jì)算中的計(jì)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(dāng)中的默認(rèn)設(shè)置是優(yōu)化原子坐標(biāo).盡管如此,在本例中我們不僅要優(yōu)化原子坐標(biāo)也要優(yōu)化晶格. 按下Task右側(cè)的More.按鈕， 選中Optimize Cell。關(guān)閉對話框.當(dāng)我們改變Quality時(shí),其他的參數(shù)也會(huì)有所改變來反映Quality的改變。選擇Properties標(biāo)簽，可從中指定我們想要計(jì)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(xiàng)，例如實(shí)時(shí)更新等。選擇Job Control標(biāo)簽，選中More.按鈕。在CASTEP Job Control Options對話框中，把Update 的時(shí)間

32、間隔改為30秒。關(guān)閉對話框。 按下Run按鈕，關(guān)閉對話框。 幾秒鐘之后，在Project Explorer中出現(xiàn)一個(gè)新的文件，它包含所有的運(yùn)行結(jié)果。一個(gè)工作日志窗口也會(huì)出現(xiàn)，它包含工作的運(yùn)行狀 態(tài)。我們也可以從Job Explorer中得到工作運(yùn)行狀況的信息。計(jì)算過程中出現(xiàn)下面兩個(gè)表示能量收斂的圖框。計(jì)算結(jié)束后出現(xiàn)下面提示，表示計(jì)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(xiàng)目相關(guān)聯(lián)的當(dāng)正在運(yùn)行的工作的狀態(tài)。它所顯示的有用信息有服務(wù)器和工作識(shí)別數(shù)字。如果需要

33、的話，我們也可以通過Job Explorer來終止當(dāng)前工作的運(yùn)行。 在工作運(yùn)行中，會(huì)有四個(gè)文檔打開，它們分程傳遞關(guān)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(shí)的晶體結(jié)構(gòu)，傳遞工作設(shè)置參數(shù)信息和運(yùn)行信息的狀態(tài)文檔，總體能量圖和能量，力, 應(yīng)力的收斂以及起重復(fù)數(shù)作用的位移。 工作結(jié)束時(shí)，這些文件反還給用戶。但是由于某個(gè)文件可能很大，也許要耗費(fèi)教長的時(shí)間。3 分析結(jié)果分析結(jié)果當(dāng)我們得到結(jié)果是，可能包含數(shù)個(gè)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(gè)優(yōu)化步驟后的結(jié)構(gòu)。 運(yùn)算完畢后，輸出結(jié)果如下：運(yùn)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(fù)按下按鈕。重復(fù)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(gè)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(gè)屬性的計(jì)算，都會(huì)包含有* *.param.param和* *.castep.castep文檔。 4比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)比較實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(shí)的實(shí)驗(yàn)長度。而根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)陣矢量大約為5.629，誤差為-0.6%。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，這個(gè)誤差在贗勢平面波方法所預(yù)期的誤差1%2%之內(nèi)。在繼續(xù)下面的操作之前，先保存項(xiàng)目，再關(guān)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