態密度的案例
用VASP求硅的電子態密度和能帶
本文介紹用VASP如何求硅的電子態密度和能帶，共分為如下5個部分：
(1). 生成4個輸入文件: POSCAR POTCAR INCAR KPOINTS
(2). 優化晶格參數,求出能量最低所對應的晶格參數
(3). 固定晶格參數, 求出能態密度(DOSCAR), 確定費米能量
(4). 修改KPOINTS和INCAR輸入文件,固定電荷密度,做非自洽計算,得到輸出文件EIGENVAL
(5). 提取數據,畫圖
(1). 生成4個輸入文件: POSCAR POTCAR INCAR KPOINTS
(2). 優化晶格參數,求出能量最低所對應的晶格參數
運行VASP程序, 查看SUMMARY.fcc輸出文件:
(3). 固定晶格參數, 求出能態密度(DOSCAR), 確定費米能量
(i) 找到平衡晶格常數后, 把該值寫入到POSCA件中,并增加K點數作一個離子步自洽計算(NSW = 0, IBRION = -1) .
(ii) 從DOSCAR輸出文件中讀出態密度和費米能級,費米費米能級也可從OUTCAR中讀出.
(4). 做非自洽計算, 求電子結構
? 修改INCA件: 將參數ICHARG設為 11
? 修改KPOINTS輸入文件
? 運行VASP程序,從輸出文件EIGENVAL中提出電子結構
畫出電荷密度
? VASP輸出電荷密度文件CHGCAR
? 采用免費程序LEV00處理數據文件CHGCAR www.cmmp.ucl.ac.uk/lev
最后，有MD相關需求，歡迎通過微信公眾號聯系我們。
公眾號：320科技工作室。
展開 基于VASP研究Li離子在石墨中遷移性能
本研究基于第一性原理模擬，采用VASP分別計算含缺陷，雜質元素N,O的石墨與純石墨的電子結構信息，如差分電荷和態密度，分析其電子結構信息的差異；并且計算了Li離子在以上幾種石墨材料中的擴散能壘，分析了缺陷對Li電池性能的影響。
具體步驟:
1) 分別構建純的石墨（C），摻雜N和C空位缺陷的石墨（C1），以及摻雜了N，O，和C空位缺陷的石墨（C2）；并進行結構優化。
2) 計算DOS和PDOS。分析可知摻雜元素對活性的影響。
C的總態密度以及各元素分態密度和軌道分態密度
C1的總態密度以及各元素分態密度和軌道分態密度
C2的總態密度以及各元素分態密度和軌道分態密度
3) 進一步分析計算Li離子在石墨層間的電子結構信息（圖為差分電荷，從左到右分別是C, C1, C2）。紅色區域電子聚集，綠色區域電子丟失。可以發現摻雜對活性影響很大 。
4) 選擇合適的擴散路徑，通過過渡態搜索，計算其擴散能壘。
Li在C, C1, C2中的擴散路徑軌跡圖（均是從上往下）
結論：C, C1, C2中Li離子的遷移能壘大小順序為：C2<C1<C。即缺陷和摻雜可以減小Li離子的遷移能壘，有利于擴散。
關鍵計算參數：
從左到右以此為：基本參數+精度與收斂準則+幾何優化參數+過渡態參數
總結：
過渡態搜索過程看似簡單，實則暗藏玄機，好的初末態結構是解決問題的法寶。本研究中，Li離子容易被空位缺陷捕獲，難以遷移，一旦Li離子落入“C陷阱”;，再難發揮其電流搬運的能力啦！
最后，如有電化學，催化相關需求，歡迎聯系我們哈。
微信公眾號:320科技工作室.
VX: CAE320
展開 Materials Studio中的Castep模塊金屬礦物計算與分析
ZnO(001)面
4 運用Castep分別計算ZnO原胞和完全解理面的能帶和態密度，將得到的數據用Original畫圖得到兩者能帶、態密度對比圖。
ZnO ZnO(001)
能帶對比圖(左: ZnO原胞 右: ZnO(001)面)
ZnO態密度對比圖(左: ZnO原胞 右: ZnO(001)面)
由能帶對比圖可以得到氧化鋅原胞的能隙寬度0.76 eV，價帶頂和導帶底都位于G點，屬于直接帶隙的半導體材料。ZnO(001)面完全解理面的能帶圖由于原子數目的增多，導致能帶密度變大，導帶頂進入價帶底，仍屬于直接帶隙。
由態密度對比圖可知，氧化鋅總態密度由三部分組成，其中在-7～0 eV由O-2p以及Zn-3d軌道貢獻，其中Zn-3d軌道貢獻較大。對比ZnO態密度發現完全解理面在最高占據態處峰值升高，是因為O-2p以及Zn-3d在最高占據態貢獻，其中Zn-3d軌道貢獻最大。說明ZnO(001)面中Zn活性較大。
最后,有相關需求歡迎通過公眾號聯系我們.
公眾號:320科技工作室
展開 南科大劉奇航＆科羅拉多大學PRL：Kagome量子自旋液體的電子摻雜在帶隙中產生局域態
【圖文簡介】
圖一
ZnCu3(OH)6BrF
的結構與摻雜后的態密度
（a）P63/mmc ZnCu3(OH)6BrF的kagome晶體結構圖
（b）HSE06計算未摻雜的ZnCu3(OH)6BrF，橙色曲線代表一個Cu2+離子的投影態密度
（c）HSE06計算一個電子采用非化學摻雜進入144個原子的超原胞中的態密度，橙色曲線代表通過摻雜所得Cu1+極化子的投影態密度
（d）最高占據態的極化子電荷密度（黃色）等值面
圖二 修正DFT得到的電子摻雜ZnCu3(OH)6BrF的態密度與電荷密度
（a，c）未修正的非化學法摻雜一個電子的ZnCu3(OH)6BrF的態密度費米能級處的電荷密度
（b，d） 修正參數λe=2 eV的非化學法摻雜一個電子的ZnCu3(OH)6BrF的態密度和極化子最高占據態的電荷密度
圖三 修正參數對于電子摻雜
ZnCu3(OH)6BrF
效果的影響
（a）對于電子摻雜的ZnCu3(OH)6BrF，Cu的Cu-O鍵長和磁矩與修正參數λe的函數關系
（b）Koopmans定理關于選取修正參數λe的函數關系
圖四 修正DFT在Nd
2
CuO
4
體系中的應用
（a）在λe=2 eV、Nd2CuO4的電子摻雜濃度為12.5%時Cu和O（分別是橙色和藍色）的計算態密度（黑）和投影態密度
（b）最高占據態（EF以下）的電荷密度表明極化子重疊（綠色圈）
（c）沿著特定線的電荷密度，虛線表明1D電荷密度的最小值，對應的極化子直徑為6.4 ?
【小結】
研究人員證明了一系列
展開 
第一性原理在材料科學上的應用進展
圖3 CoRhMnZ（Z = Al，Ga，Ge和Si）穩定結構的總態密度和局域態密度
Song等人利用第一性原理研究了TiN薄膜的電子結構，如圖4所示，能帶是由Studio Studio（MS）程序模擬的，并計算了總態密度（DOS）、介電函數、吸收和反射率。結果表明，費米能（EF）通過能級分布密集的能帶，且總態密度與EF相交，表明TiN由Ti-3d態的電子學性質決定了其具有類金屬性質[8]。
圖4 TiN薄膜的能帶結構（a），全態密度（b）和局域態密度（c）
力學性能的計算
彈性常數Cij是描述材料力學性能的基本參數，它與基本固態現象密切相關，如原子間鍵合、狀態方程和聲子光譜等，也與比熱、熱膨脹、德拜溫度和Grüneisen參數等熱力學性質相關。理論上，存在21個獨立的彈性常數Cij，但是立方晶體的對稱性使這個數值僅減少到3（C11、C12和C44），通過彈性常數導出剪切模量G、楊氏模量E和泊松比n等，然后從平均聲速Vm估算德拜溫度：
式中，H是普朗克常數，KB是玻爾茲曼常數，Va是原子體積，Vm可以通過Navier方程中的剪切模量G和體積模量B獲得的縱向和橫向聲速vl和vt確定。
例如，Shuo Huang等人結合第一性原理確定了FeCrCoMnAlx（0.6≤≤1.5）高熵合金體心立方固溶體相在[001]方向的彈性參數和理想拉伸強度，結果如圖5所示。在所考慮的組成范圍內，發現bcc結構具有比鐵磁和順磁狀態的fcc和hcp結構更低的能量。
展開 利用MS的CASTEP模塊計算鐵磁性鐵聲子譜
計算聲子散射和聲子態密度(DOS)
為了計算聲子散射和聲子態密度，必須執行單點能量計算，并為計算選擇適當的性能。
確保Fe CASTEP GeomOpt目錄中的Fe.xsd是活動文檔。
在CASTEP Calculation對話框上選擇Setup選項卡，并設置Task為Energy。
在Properties選項卡上，選擇Phonons復選框，選擇Both 選項以選中態密度和散射。取消選擇Calculate LO-TO splitting，將Method選為Finite displacement。
縱向光學橫向光學(LO)劈裂不能對金屬進行計算，因為它們在Γ-point是相同的。有限位移方案被設計用于金屬和自旋極化系統(以及為那些具有高效超軟勢能的系統)。對鐵磁性Fe這是理想的計算聲子勢能的方法。
點擊More...按鈕，顯示CASTEP Phonon Properties Setup對話框。確保Method為Finite displacement。設置Supercell defined by cutoff radius值為3.6 ?。將Dispersion和Density of states的Quality值都設置為Fine。關閉CASTEP Phonon Properties Setup對話框。
注意：Cutoff radius的選擇對有限位移運算是至關重要的參數。當使用較大的cutoff radius值時精度較高，因為這時考慮了更多的近鄰。然而，隨著該值的增加，計算時間增加的非常迅速。出于實際原因，在本教程中，對該參數選擇了較小的值。聲子頻率的收斂作為cutoff radius的函數在執行有意義的實驗計算時應該被研究。
選擇Job Control選項卡并為計算選擇Gateway。
展開 南京大學等首次證實了這個著名理論預言！
Hicks曾預言二維量子限域效應引起的態密度增強現象會極大地提高材料的熱電功率因子 (Phys. Rev. B 47, 12727 (1993) )，這為獲得高性能的熱電材料提供了一個非常重要的理論指導。但是截至目前，一直沒有實驗確切地證實這個理論預測。即使在有些實驗中半導體材料量子阱的寬度已經縮小至電荷的波爾直徑尺度，仍然沒有觀察到熱電性能的顯著增強。最近，南京大學物理學院的梁世軍副研究員和繆峰教授開展實驗，同時與吉林大學張立軍教授理論課題組合作，利用二維材料厚度和載流子濃度可控的特性，首次證實了著名的Hicks-Dresselhaus理論預言。
熱電測試結構的示意圖；(b) 常溫下，7 – 29 nm的InSe功率因子隨載流子濃度變化；(c) 9層和36層的InSe態密度分布；(d) 功率因子隨樣品的量子限域長度h0與熱德布羅意波長ξ的比值h0/ξ的變化，隨著h0/ξ減小而增強，尤其是在h0/ξ < 1的區間有顯著的增強，與插圖中的理論預測是一致的。
主要的實驗和理論結果如圖a所示。利用微結構產生的焦耳熱擴散現象在InSe樣品兩端產生溫度梯度dT, 隨后引起樣品中載流子的擴散，進而在樣品兩端形成電壓差dV，最后得到Seebeck系數S (S = -dV/dT)。利用該技術可以研究微納結構器件的熱電性能。在實驗中，通過測試不同厚度的InSe樣品，合作團隊發現樣品的熱電功率因子會隨著厚度減薄而得到增強，該實驗結果和理論計算結果相一致（圖b）。在圖c中，通過計算29 nm和7 nm厚樣品的態密度，團隊發現在7 nm樣品的導帶邊上態密度變得更加尖銳，這說明厚度變薄會增強帶邊的電子能態密度，與實驗結果一致。
展開 基于MS的Dmol3模塊計算離子液體的電子轉移和成鍵
然后計算其前線分子軌道、態密度等電子性質。
計算面板
分析面板
優化前 優化后
氯化膽堿離子對
Ch+ HOMO軌道 Ch+ LUMO軌道 Cl- HOMO軌道 Cl- LUMO軌道
根據前線分子軌道理論，參加反應的兩種物質的最高占據軌道（HOMO）和最低空軌道（LUMO）能量越接近，越容易發生反應。通過計算ΔE獲得具體數值，其中ΔE＝|LUMO－HOMO|，ΔE越小，越容易發生HOMO→LUMO的電子轉移，相互作用越強，獲得的產物越穩定。通過計算發現膽堿陽離子的LUMO軌道與氯離子的HOMO軌道之間ΔＥ更小，而且兩個數值更接近，這說明了在氯化膽堿成鍵過程中的電子是由氯離子向膽堿陽離子轉移的。
（a）總態密度圖 （b）分波態密度 （c）游離態分波態密度
由圖（a）可知Chcl的最高占據態為-1~0.5Ha，在這一范圍內膽堿陽離子比氯離子貢獻較多，主要是由于膽堿陽離子內存在四個氫鍵供體，而氯離子只是一個氫鍵受體。通過圖3(b)可以看出氯離子與氧、碳原子發生強烈共振,在最高占據態內是由Cl-3s、Cl-3p、O2s、O2p、C22s、C22p、C42s、C42p、C52s、C52p貢獻，其中Cl-3p、O2p、C22p、C42p、C52p占主導地位，說明形成的p-p雜化軌道是陰陽離子間電子轉移的主要通道。同時通過對比圖 (b)、(c)，可以出氯化膽堿中的各個軌道向低能方向移動程度比較小，再次證明了形成的多重氫鍵鍵能較弱。
最后，有相關需求歡迎通過公眾號聯系我們。
公眾號：320科技工作室
展開 VASP計算AgGaS2能帶及態密度及光學性質
PREC = Medium
EDIFF = 1e-4
EDIFFG = -0.02
IALGO = 48
NELMIN = 3
ISYM = 1
ISIF = 3
ISPIN = 1
ISMEAR = 0
SIGMA = 0.1
NBANDS=120
LORBIT=11 (投影到 s.p.d)
NEDOS=501 （DOS的點數）
ICHARG=11 (從CHG讀入電荷密度)
EMIN=-20
EMAX=20
LCHARG = .TRUE.
LWAVE = .TRUE.
LVTOT = .FALSE.
IONIC RELAXATION
NBLOCK = 1
NSW = 1
IBRION = -1
POTIM = 0.05
運行vasp 命令同上
然后編寫DOS
F （是否自旋極化計算 ）
9 （軌道數）
6 （要計算的DOS）
-1 （為負數時，表示所考察的為原子的DOS）
1 （原子編號）
-1 （為正正數時，表示為原子軌道的DOS）
2 （下面都同上）
-1
3
1
1
1
5
1
8
保存 運行vaspdos (如果沒有設定路徑的話 。要自己指定路徑)
可以得到fort.25 文件
運行cdos98 不過需要加一條DOS數
就可以得到 DOS1 DOS2 DOS3 . . . . . .
用origin分別繪圖…..
（可能是DOS編號出現錯誤了的原因 導致Ga(p)和S(p) 沒有畫出..）
展開 如何區分多晶與玻璃態
，說明無序玻璃具有分布更寬的熱激發單元
c) 態密度的峰位類似于壓強的變化
d) 態密度峰位在0.7處移動最慢
圖六
a)多晶與b)和c)玻璃態中三個低頻振動模ω=1.0 (A),5.5(B), 13.5(C).
山東大學郝曉濤教授、殷航教授團隊JMCA：在厚膜室內有機光伏電池的研究中取得新進展
該結果表明缺陷態密度的降低會促進體異質結內光生載流子的產生。
圖2 5% PS稀釋前后有機光伏器件的缺陷態密度及激子壽命測試，其中Nt和t分別表示缺陷態密度和激子壽命。
同時，結合瞬態吸收光譜技術，發現PS的稀釋加快了疇內分子間極化子對的拆分，從而提高了空穴轉移速率（如圖3）。另外，電荷傳輸方面的研究表明，5% PS的稀釋不僅提高了超厚器件中的電荷遷移率，同時抑制了缺陷態主導的電荷復合，使得載流子能夠在超厚的活性層中傳輸更長的距離而不容易發生復合。因此，在5% PS稀釋的光伏體系中，電荷轉移、傳輸的加快以及缺陷態復合的降低提高了1微米活性層內光電流密度。該研究證明了稀釋策略能夠有效地抑制體異質結內的缺陷態，同時為大厚度高效室內光伏電池的制備提供了新穎的角度。
圖3 5% PS稀釋前后光伏體系的二維瞬態吸收光譜測試，以及在500 nm和640 nm處探測到的動力學曲線。
該研究以One-micron-thick organic indoor light harvesters with low photocurrent loss and fill factors over 67%為題，發表在Journal of Materials Chemistry A上。
展開 
基于鉬氧化物的姜?泰勒畸變探索的大容量超級電容器和優異光催化性能
第一性原理計算的態密度（DOS）和分波態密度（PDOS）示意圖
DFT的計算結果：
（a）計算的MoO2的能帶結構結果表示。
（b）計算的1）MoO2的總態密度2）O和3）Mo元素的分波態密度結果表示。
（c）計算的MoO3的能帶結構結果表示。
（d）計算的1）MoO3的總態密度和2）O和3）Mo元素的分波態密度。
圖3. 制備的GM2、GM3和GMCN的形貌和性能
（a）GM3，GM2和GMCN的制備流程示意圖。
（b）電容性能和（c）光催化降解TC評價不同含量的GM3和GM2。
（d）在520℃下合成的純g-C3N4的TEM和SEM（內嵌圖）形貌，具有（e）介孔結構。
（f）GM2和（g）TEM形態的珊瑚狀態（內嵌圖）的SEM圖像顯示MoO3負載在單層石墨烯上。
（h）GMCN的TEM形態，GMCN的C，N，Mo和N元素的EDS能譜。
圖4. XPS圖譜
（a）GMCN樣品的XPS譜圖及其（d）Mo 3p + N1s和（g）C1s的XPS高分辨率能量區域。
（b）GM2樣品及其（e）Mo 3d和（h）C 1s的XPS高分辨率能量區域。
（c）GM3樣品的XPS光譜及其（f）Mo 3d和（i）C 1s的XPS高分辨率能量區域。
圖5. 超級電容性能表征
（a）GMCN和GM2-14電極的超級電容性能計算后的比較。
（b）GMCN // AC（活性炭）非對稱超級電容器器件的結構示意圖。
展開 使用VASP軟件計算MoS2電子性質
圖2 單層MoS2的能帶結構
為了更深入的分析，分別計算了單層MoS2中Mo原子和S原子的投影態密度（PDOS），如圖3所示，從圖中可以看出MoS2的CBM和VBM主要來源于Mo原子的和軌道，S原子的貢獻很小。
圖3 單層MoS2分波投影態密度
為了更加詳細的分析的各個軌道的電子在能帶中的分布，可以通過計算MoS2各個原子的各個軌道對能帶的貢獻情況（球的大小表示貢獻權重）如圖4所示。Mo原子在界面處的雜化態最為顯著。從圖中可以看出MoS2的VBM和CBM主要來源于Mo原子的k點的和軌道，其次Mo原子的軌道G點也有著部分的電子貢獻，與態密度的計算結果一致。
圖4 單層MoS2投影能帶結構
最后，有需要歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡
展開 熱電領域著名的Hicks-Dresselhaus理論預言首次在二維層狀材料中得到實驗證實
圖3 薄層樣品中增強的量子限域效應
（a）9層和36層的InSe能帶圖
（b）9層和36層的InSe態密度分布
（c）垂直面內方向的導帶最低點狀態的平面平均波函數幅度。
（d）9層和36層的電荷密度圖對比。
圖4 InSe的功率因子隨著載流子濃度的變化關系
（a）不同溫度下10nm的InSe功率因子隨載流子濃度變化
（b）常溫下，7– 29 nm的InSe功率因子隨載流子濃度變化
圖5 InSe的功率因子增強的量子臨界條件
功率因子隨樣品的量子限域長度h0與熱德布羅意波長ξ的比值h0/ξ的變化，隨著h0/ξ減小而增強，尤其是在h0/ξ < 1的區間有顯著的增強，與插圖中的理論預測一致。
【小結】
這項研究工作報道了InSe的Seebeck系數和熱電功率因子隨著樣品厚度減薄而增強的現象，結合理論計算我們發現該增強主要得益于薄層樣品中增強的量子限域效應增強導致材料的能帶邊態密度變得尖銳等因素；同時我們發現只有當量子限域長度小于熱德布羅意波長時功率因子才能顯著增強。這一臨界條件的確定為未來探索基于高性能二維熱電材料提供了重要的指導方向。
文獻鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b03026,
DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03026
來源：材料人
展開 Adv. Funct. Mater. : CsPbBr3薄膜限域生長及其在高性能光電探測器中的應用
【引言】
為了獲得具有高靈敏度和快速響應的高性能光電探測器(PD)，器件中的功能層需要具備高吸收系數、低陷阱態密度、足夠的擴散長度以及較高的載流子遷移率。目前，全無機鹵化物鈣鈦礦(HP)CsPbBr3單晶載流子擴散速度較快，其載流子遷移率超過140 cm2·V-1·S-1，陷阱密度低至109 cm-3。基于上述單晶的PD顯示出高響應度(R)和寬線性動態范圍(LDR)。然而，CsPbBr3單晶的尺寸和厚度難以控制，其受到加工溫度、底層表面能、溶劑和前驅體復合物的極大影響，進而延長了傳輸時間并加劇了光電探測中的載流子復合。與單晶相比，溶液加工所得的多晶薄膜具有簡單、可控以及可調節的特點，在鈣鈦礦光電器件大規模制造和工業化中具有巨大潛力。但迄今為止，CsPbBr3多晶薄膜的質量通常較差，其載流子遷移率低、缺陷密度高，以致器件性能較差。因此，利用溶液策略制備具有低陷阱態密度和高載流子遷移率的CsPbBr3多晶膜并將其應用于高性能PD仍然存在著嚴峻的挑戰。
【成果簡介】
近日，南京理工大學曾海波教授、李曉明教授、湖北大學王浩教授(共同通訊作者)等通過在有序聚苯乙烯球模板的間隙內冷凍前體溶液的限域生長策略克服了溶解度低和晶體快速生長缺點，所得致密CsPbBr3多晶薄膜在化學計量調節后具有低陷阱密度(3.07×1012 cm-3)和高載流子遷移率(9.27 cm2·V-1·s-1)。上述成果以題為“Space-Confined Growth of CsPbBr3 Film Achieving Photodetectors with High Performance in All Figures of Merit”的研究論文發表于Adv. Funct. Mater.。
展開 