聲子是固體物理中的一個(gè)重要概念，它提供了使用大量重要性能的方法，例如比熱、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、電子－聲子相互作用、電阻系數(shù)和超導(dǎo)電性等。密度泛函理論(DFT)方法能預(yù)測這些性能，CASTEP提供了必要的功能。在點(diǎn)陣動(dòng)力學(xué)計(jì)算中有兩種主要的方法：密度泛函微擾理論(DFPT)和有限位移方法。第一種方法通常比較快速并且更加精確，但是它的執(zhí)行是有問題的，并且受到一系列的限制。目前，在CASTEP中DFPT只能用于具有fixed occupancies(絕緣體)、沒有自旋極化并且只能對(duì)norm-conserving贗勢使用。這樣，對(duì)廣泛的材料種類 (包括磁性材料和金屬)，聲子計(jì)算只能通過采用有限位移算法來執(zhí)行。

注意：本教程中的計(jì)算對(duì)CPU時(shí)間和內(nèi)存需求方面的要求很高。

介紹：

在本教程中，將學(xué)習(xí)如何使用CASTEP來執(zhí)行有限位移運(yùn)算以獲得磁性金屬的聲子散射和態(tài)密度。

1. 優(yōu)化Fe晶胞的結(jié)構(gòu)

從輸入Fe的結(jié)構(gòu)開始，它包含在Materials Studio提供的結(jié)構(gòu)庫中。

從菜單欄選擇File | Import...，定位到Structures/metals/pure metals并選擇Fe.msi。

通過將晶胞轉(zhuǎn)化為原胞通常能減少計(jì)算時(shí)間。

從菜單欄選擇Select Build | Symmetry | Primitive Cell。

顯示Fe原胞。

現(xiàn)在使用CASTEP 優(yōu)化Fe的幾何結(jié)構(gòu)。

從工具欄選擇CASTEP工具，然后選擇Calculation，或者從菜單欄選擇Modules | CASTEP | Calculation。

顯示CASTEP Calculation對(duì)話框。

在Setup選項(xiàng)卡上，將Task從Energy改為Geometry Optimization，設(shè)置Quality為Medium，設(shè)置Functional為LDA。選中Spin polarized復(fù)選框，取消選擇Use formal spin as initial。設(shè)置Initial spin值為2。

LDA/CA-PZ局域交換關(guān)聯(lián)泛函被認(rèn)為是可獲得的最準(zhǔn)確的描述之一，將initial spin值設(shè)為2是因?yàn)槲覀冋谀M鐵磁性的Fe晶體。

幾何優(yōu)化的默認(rèn)值不包含晶胞的優(yōu)化。

點(diǎn)擊More...按鈕，在CASTEP Geometry Optimization對(duì)話框上，選中Optimize cell，關(guān)閉對(duì)話框。

選擇Electronic選項(xiàng)卡并設(shè)置Pseudopotentials值為Ultrasoft。

選擇Job Control選項(xiàng)卡，為job選擇Gateway位置并設(shè)置Runtime optimization為Memory。

點(diǎn)擊More...按鈕，打開CASTEP Job Control Options對(duì)話框，在Live updates區(qū)域取消選擇所有選項(xiàng)，關(guān)閉對(duì)話框。

點(diǎn)擊Run按鈕啟動(dòng)job。

2. 計(jì)算聲子散射和聲子態(tài)密度(DOS)

為了計(jì)算聲子散射和聲子態(tài)密度，必須執(zhí)行單點(diǎn)能量計(jì)算，并為計(jì)算選擇適當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

確保Fe CASTEP GeomOpt目錄中的Fe.xsd是活動(dòng)文檔。

在CASTEP Calculation對(duì)話框上選擇Setup選項(xiàng)卡，并設(shè)置Task為Energy。

在Properties選項(xiàng)卡上，選擇Phonons復(fù)選框，選擇Both 選項(xiàng)以選中態(tài)密度和散射。取消選擇Calculate LO-TO splitting，將Method選為Finite displacement。

縱向光學(xué)橫向光學(xué)(LO)劈裂不能對(duì)金屬進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樗鼈冊(cè)讦?point是相同的。有限位移方案被設(shè)計(jì)用于金屬和自旋極化系統(tǒng)(以及為那些具有高效超軟勢能的系統(tǒng))。對(duì)鐵磁性Fe這是理想的計(jì)算聲子勢能的方法。

點(diǎn)擊More...按鈕，顯示CASTEP Phonon Properties Setup對(duì)話框。確保Method為Finite displacement。設(shè)置Supercell defined by cutoff radius值為3.6 ?。將Dispersion和Density of states的Quality值都設(shè)置為Fine。關(guān)閉CASTEP Phonon Properties Setup對(duì)話框。

注意：Cutoff radius的選擇對(duì)有限位移運(yùn)算是至關(guān)重要的參數(shù)。當(dāng)使用較大的cutoff radius值時(shí)精度較高，因?yàn)檫@時(shí)考慮了更多的近鄰。然而，隨著該值的增加，計(jì)算時(shí)間增加的非常迅速。出于實(shí)際原因，在本教程中，對(duì)該參數(shù)選擇了較小的值。聲子頻率的收斂作為cutoff radius的函數(shù)在執(zhí)行有意義的實(shí)驗(yàn)計(jì)算時(shí)應(yīng)該被研究。

選擇Job Control選項(xiàng)卡并為計(jì)算選擇Gateway。

點(diǎn)擊More...按鈕，打開CASTEP Job Control Options 對(duì)話框并選中所有Live updates選項(xiàng)，關(guān)閉對(duì)話框。

點(diǎn)擊Run按鈕。

Job被提交并開始運(yùn)行。一個(gè)叫做Fe CASTEP Energy的新目錄被建立在Fe CASTEP GeomOpt目錄中。當(dāng)能量計(jì)算結(jié)束時(shí)，新的結(jié)果文件被放置在該目錄中，包括Fe_PhonDisp.castep和Fe_PhonDOS.castep。

3. 顯示聲子散射和態(tài)密度

從Materials Studio菜單欄選擇Modules | CASTEP | Analysis，從性能列表中選擇Phonon dispersion，確保Results file選擇器顯示Fe_PhononDisp.castep。

從Units下拉列表選擇cm^-1，從Graph style下拉列表選擇Line。

點(diǎn)擊View按鈕。

一個(gè)新的圖表文件－Fe Phonon Dispersion.xcd被建立在結(jié)果目錄中。它看起來如下圖所示。

聲子散射的實(shí)驗(yàn)值如下圖所示。

總體來說，計(jì)算的精度是可以接受的。可以通過用更大的cutoff radius值運(yùn)行計(jì)算來得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間更好的一致性。

現(xiàn)在生成聲子態(tài)密度曲線。

從Materials Studio菜單欄選擇Modules | CASTEP | Analysis ，從性能列表中 選擇Phonon density of states，確保Results file選擇器顯示Fe_PhonDOS.castep。

設(shè)置DOS display為Full，點(diǎn)擊More... 按鈕，打開CASTEP Phonon DOS Analysis Options對(duì)話框，選擇Interpolation作為Integration method，設(shè)置Accuracy level為Fine。點(diǎn)擊OK按鈕。

在CASTEP Analysis對(duì)話框上點(diǎn)擊View按鈕。

建立了一個(gè)新的圖表文件－Fe_PhonDOS Phonon DOS.xcd。如下圖所示。

最后，歡迎大家通過微信公眾號(hào)聯(lián)系我們。

微信公眾號(hào)：320科技工作室。