目的：介紹CASTEP中的幾何優(yōu)化和等位面顯示的體積可視化工具。

模塊：Materials Visualizer、CASTEP

時間：

先決條件：

背景：

最近，密度泛函理論方法(DFT)應用于大周期系統(tǒng)研究方面的進展在解決材料設計和加工中的問題上變得非常重要。該理論允許對實驗數據進行解釋，測定材料的潛在性質，從未知晶體的結構屬性到結合能和表面分子的活性等等。這些工具可以被用來指導和引導新材料的設計，允許研究者了解潛在的化學和物理過程。

介紹：

本教程演示了在Materials Studio 中，CASTEP 是如何使用量子力學方法來測定材料的晶體結構的，你將學會如何構建晶體結構并設置一個CASTEP幾何優(yōu)化運算，然后分析計算結果。

注意：本教程的完成需要運行CASTEP幾何優(yōu)化，信賴于計算服務器的配置，本計算可能需要花費相當長的時間。

1. 構建AlAs晶體結構

為了構建晶體結構，需要了解空間群、晶格參數和所要建立的晶體的內坐標等知識。對AlAs 來說，空間群是F-43m，或者空間群代號為216。晶格中有兩個原子，Al 和As 的分數坐標分別為(0，0，0)和(0.25，0.25，0.25)，晶格參數為5.6622 ?。

第一步是建立晶格。

在Project Explorer中，右擊根目錄并選擇New | 3D Atomistic Document。在Project Explorer中右擊該文件，將文件重新命名為AlAs.xsd。

從菜單欄上選擇Build | Crystals | Build Crystal。

顯示Build Crystal 對話框，如圖5－1。

點擊Enter group輸入216，按下TAB鍵。

Space group information欄被F-43m空間群的信息所更新。

選擇Lattice Parameters選項卡，將a的值從10.00 改變5.6622。按TAB鍵，然后點擊Build按鈕。

圖5－1 Build Crystal對話框

在3D視圖中顯示一個空白的晶格，現在可以添加原子。

從快捷菜單欄選擇Build | Add Atoms。

顯示Add Atoms對話框。

圖5－2 Add Atoms對話框

使用該對話框，可以在指定位置添加原子。

在Add Atoms對話框上，選擇Options選項卡。確保Coordinate system設置為Fractional。選擇Atoms選項卡。在Element 文本框中，輸入Al，然后點擊Add按鈕。

Al原子被添加到結構中。

在Element 文本框中，輸入As。在a、b 和c 文本框分別輸入0.25。點擊Add按鈕。關閉對話框。

原子被加入到晶體結構中，對稱性運算符被用于建立晶體結構中剩余的原子。原子也顯示在相鄰的晶胞中，用以說明AlAs 結構化學鍵的拓撲結構，可以通過重建晶胞將這些原子移除。

從菜單中選擇Build | Crystals | Rebuild Crystal...。點擊ReBuild按鈕。

外部原子被移除，晶體結構顯示出來。可以將顯示模式改為ball and stick。

在結構文件中右擊，從快捷菜單上選擇Display Style。在Atom 選項卡上，選擇Ball and stick 選項。關閉Display Style對話框。

在3D視圖內的晶體結構是常規(guī)的晶胞，表明了晶格的立方對稱性。CASTEP 使用晶格可能存在的完全對稱性。可以使用原始晶格來計算，與包含8個原子的傳統(tǒng)晶格不同，原始晶格中每個晶胞包含兩個原子。這樣，電荷密度、鍵長和每個原子的總能量將是相同的，而不管這個晶胞是如何定義的。由于在原胞中使用了更少的原子，將縮短計算時間。

注意：唯一需要注意的是在磁性系統(tǒng)上執(zhí)行自旋極化計算的情形，這時電荷密度自旋波的周期是原始晶胞的幾倍。

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

3D視圖顯示primitive cell。

圖5－3 AlAs的原胞

2. 設置并運行CASTEP 計算

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

顯示CASTEP Calculation對話框，如圖5－4。

現在需要優(yōu)化結構的幾何形狀。

將Task改為Geometry Optimization，將Quality改為Fine。

默認的優(yōu)化設置是只對原子坐標進行優(yōu)化。然而，本例中，在對原子坐標進行優(yōu)化的同時也要對晶格進行優(yōu)化。優(yōu)

點擊與Task 相關聯(lián)的More…按鈕，勾選上Optimize Cell，關閉對話框。

當改變計算精度時，其他參數也會作相應的變化。

選擇Properties選項卡。

在Properties 選項卡上，可以指定需要計算哪些性質。

選中Band structure和Density of states。

也可以指定job控制選項，例如實時更新。

圖5－4 CASTEP Calculation對話框

選擇Job Control選項卡，點擊More…按鈕。在CASTEP Job Control Options對話框里，改變Update every為30.0s，關閉對話框。

如果正在遠程服務器上運行計算，可以從Job Control選項卡上指定服務器名。

點擊Run按鈕，關閉對話框。

幾秒鐘后，在Project Explorer中出現一個新目錄，包含了所有的計算結果。Job Explorer也顯示出來，包含有關job的狀態(tài)的信息。Job Explorer顯示與項目有關的任何當前活動job的狀態(tài)，它顯示很多有用的信息，例如服務器和job代碼。如果需要，也可以使用Job Explorer中止job。

在job運行時，打開四個文件傳遞job狀態(tài)信息。這些文件包括晶體結構、在優(yōu)化過程中模型的更新、傳遞job設置參數信息和運行信息的狀態(tài)文件、以及一些關于總能量、能量收斂、力、應力和位移作為迭代次數函數的圖表。

當job結束時，文件會被傳回到客戶端，這個過程視文件的大小而需要不同時間。

3. 分析結果

當結果文件被傳輸回來時，應該有幾個文件，其中包括：

AlAs.xsd－最后的優(yōu)化結構；

AlAs Trajectory.xtd－軌跡文件，包括每一步優(yōu)化后的結構；

AlAs.castep－包含了優(yōu)化信息的輸出文本文件；

AlAs.param－關于模擬的輸入信息。

對每一個性能計算，對應都有一個.param和.castep文件。

在AlAs結構中，由對稱性引起的力為0，但是應力依賴于晶格參數。這樣，CASTEP會嘗試使系統(tǒng)的總能量和應力最小化。因此，為確保計算完全結束，檢查應力已經收斂是非常重要的。

在Project Explorer中，點擊AlAs.castep使其處于激活狀態(tài)。從菜單欄選擇Edit | Find...，在文本框中輸入“completed successfully”，點擊Find Next按鈕。向上滾動幾行。

將會看到一個包含兩行的表格，在每一行的最后一列都顯示為Yes，這表明計算已經成功地結束了。

4. 把結構與實驗數據比較

在最初創(chuàng)建晶胞時，我們就知道晶格長度應該為5.6622 ?。所以，可以把最小化后的晶格長度與初始實驗長度相比較。實驗晶格長度是基于常規(guī)晶胞，而不是原胞，因此需要轉換晶胞。

雙擊AlAs.xsd 使其處于激活狀態(tài)。從菜單欄選擇Build | Symmetry | Conventional Cell。

顯示常規(guī)晶胞。有幾種查看晶格長度的方法，最簡單的一種是打開Lattice Parameters 對話框。

在3D視圖上右擊，從快捷菜單中選擇Lattice Parameters。

點陣矢量大約為5.727?，誤差大約是1%。這在1-2%的典型誤差之內，該誤差是贗勢平面波方法與實驗結果相比較所期望的誤差。晶格參數的過高估計是GGA泛函的特性，使用LDA泛函會產生低估的結果。

在繼續(xù)進行之前，需要保存項目，并關閉所有窗口。

從菜單欄選擇File | Save Project，然后選擇Window | Close All。

5. 可視化電荷密度

電荷密度可以從CASTEP Analysis工具獲取

從菜單欄里選擇CASTEP，然后選擇Analysis，或者從菜單欄選擇Modules | CASTEP | Analysis。選擇Electron density選項。

有提示消息說沒有結果文件可以獲得，所以需要指定結果文件。

在Project Explorer中，雙擊AlAs.castep文件。

這將把結果文件和分析對話框關聯(lián)起來，但是還需要指定一個3D Atomistic文件來顯示等位面。

在Project Explorer中，雙擊優(yōu)化后的AlAs.xsd文件。從菜單欄選擇Build | Symmetry | Primitive Cell。

在CASTEP Analysis對話框上的Import按鈕現在是被激活了。

點擊Import按鈕

等位面疊加在結構上。

圖5－5 AlAs的電子密度等位面

可以從Display Style對話框來改變等位面的設置。

在3D視圖中右擊，從快捷菜單選擇Display Style，選擇Isosurface選項卡。

顯示sosurface選項卡。

圖5－6 Display Style對話框Isosurface選項卡

這里可以改變不同的設置。

在Iso-value文本框里，輸入0.1并按TAB鍵。

注意等位面如何改變。

向右移動Transparency滑塊。

隨著Transparency滑塊向右移動，等位面變得越來越透明。

按住鼠標右鍵并移動鼠標，以旋轉模型。

當模型旋轉時，等位面變成點狀顯示，以增加旋轉的速度。如果有速度很快的計算機，那么可以在Display Options對話框的Graphics選項卡上取消選擇Fast render on move復選框來禁用這一特性。

可以從Display Style對話框移除等位面。

取消選擇Visible復選框，關閉Display Style對話框。

在任何時候都可以通過選擇Isosurface選項卡上的Visible復選框來顯示等位面。

6. 態(tài)密度和能帶結構

分析工具可以用于顯示態(tài)密度(DOS)和能帶結構信息。

能帶結構圖表明了在布里淵區(qū)沿著高對稱性方向電子能量對k矢量的依賴性。這些圖提供了一個對材料電子結構進行定性分析的有用的工具，例如，很容易確定d和f態(tài)的窄帶，這與近自由電子帶對應的s和p電子正好相反。

DOS和PDOS圖給出了材料電子結構的快速定性圖像，有時候它們可以直接和光譜實驗結果相適應。

主要的CASTEP輸出結果文件AlAs.castep包含了有限的能帶結構和DOS信息，更詳細的信息包含在AlAs_BandStr.castep 文件內。

打開Analysis對話框，選擇Band structure。

從這個對話框，可以選擇把能帶結構和態(tài)密度信息顯示在同一個圖中。

注意：可以通過單獨分析能帶結構和態(tài)密度來將它們顯示在單獨的圖表文件中。

在DOS區(qū)域，選擇Show DOS復選框，點擊View按鈕。

生成一個包括能帶結構和態(tài)密度圖的圖表文件。

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