Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 第一性原理计算方法预测AlAs的晶格常数

背景：最近密度泛函理论（DFT）在周期体系的研究进展，尤其在解决材料设计和加工问题上的应用变得越来越重要。DFT计算模拟工具可以指导新材料的设计，帮助研究人员理解变化过程中的化学和物理本质。

简介：本教程说明了如何使用CASTEP在Materials Studio中使用量子力学方法确定砷化铝的晶格参数和电子结构。您将学习如何构建晶体结构并设置CASTEP几何优化运行，然后分析结果。

目的：介绍了CASTEP中的几何优化以及使用体积可视化工具来显示等值面。

本教程重要节点：

构建AlAs晶体结构-设置并运行CASTEP计算-分析结果-将结构与实验数据进行比较（可视化电荷密度-态密度和能带结构）

1.构建AlAs晶体结构

在菜单中选择New|3DAtomisticDocument，并将此文件重命名为AlAs.xsd。此文件也可通过标准工具栏中的新建按钮生成。

要建立一个晶体结构，需要知道此结构的空间群、晶格参数和原子内坐标。对于本例的AlAs结构，其空间群是F-43m，空间群代号为216，晶格参数为5.6622Å，基态含有两个原子，其内坐标分别为Al（0,0,0）和As（0.25,0.25,0.25）。

首先，要建立晶格。

依次选择菜单Build|Crystals|BuildCrystal，打开Build Crystal对话框。

当前为Space Group选项卡

在Enter group框中键入216，按键盘上的TAB按键。

空间群的相关信息会根据F-43m空间群更新。

选择Lattice Parameters选项卡，将a的值改为5.6622，按键盘上的TAB按键，并单击Build按钮。

此时在视窗中会显示一个空的3D晶格，然后在此晶格中添加原子。

选择菜单Build|Add Atoms，或工具栏中的添加原子按钮。

使用这个对话框，可以在确定的位置添加原子。

在Add Atoms对话框上，选择Options选项卡。确认坐标系统设置为Fractional。

选择Atoms选项卡，在Element框中，浏览找到Al，默认坐标均为0.000，按下Add按钮。

Al原子被添加到晶格结构中。

在Element框中，浏览找到As。在a、b和c文本框均键入0.25。按下Add按钮并关闭此对话框。

As原子被添加到结构中，空间群的对称性算符被用来建立晶体结构中其他位置的原子。原子也会显示在相邻元胞中，这描绘了AlAs结构的拓扑图像。可以通过Rebuild更改此显示。

从菜单中选择Build|Crystals|RebuildCrystal…。按下ReBuild按钮。

外部原子被移走，并且晶体结构显示出来。可以把显示方式改为球棍模式。

右击结构文件中的空白处，选择Display Style。在Atom选项卡上，选择Ball and stick，关闭此对话框。

3DViewer内的晶体结构是传统元胞，显示了晶格的立方对称性。如果存在的话，CASTEP会使用晶格所有的对称性。这样，每个元胞包含两个原子的初基晶格可被用来计算，这与包含了8个原子的传统晶格不同。计算过程中电荷密度、键长和每个原子的能量都是一样的，而不管这个元胞是如何被定义的。这样，在初基元胞中使用了较少的原子，计算时间将被缩短。

注意：在计算磁性体系时需要注意对自旋极化的计算，此时电荷密度自旋的周期是原始元胞的数倍。

选择菜单栏里的Build|Symmetry|PrimitiveCell。

2.设置并运行CASTEP计算

选择工具栏中的CASTEP 按钮 ，然后选择Calculation。或者依次选择菜单Modules | CASTEP | Calculation。

CASTEP 的Calculation 对话框显示为：

现在需要对AlAs结构进行几何优化。

把Task 改为Geometry Optimization，计算精度设置为Fine。

几何优化的默认设置是只对原子的坐标进行优化。然而在本例中，在对原子坐标进行优化的同时还需要对晶格参数也进行优化。

按下与Task 相关的More…按钮，在打开的新对话框中，勾选Optimize Cell，关闭此对话框。

当改变计算精度的时候，其他的参数也会自动作相应的变化。

选择Properties 选项卡

在Properties 栏里，可以指定需要计算的性质。

勾选Band structure 和Density of states。当选中Band structure时，单击More…按钮打开CASTEP Band Structure Options对话框，单击Path…按钮打开Brillouin Zone Path对话框，单击Create按钮并关闭对话框。

倒晶格和布里渊区将会显示在3D结构视图中。

也可以指定工作控制选项卡中如何实时更新。

选择Job Control 选项卡，按下More…按钮打开CASTEP Job Control Options 对话框，改变 Update interval 为5.0 s，关闭此对话框。

如果计算是在远程服务器上进行计算，也可以通过job control来指定

按下Run 按钮，关闭对话框。  

几秒钟后，一个新文件夹出现在Project Explorer 内，该文件夹包含了所有的计算涉及到的文件。

Job Explorer 显示了所有正在运行的工作的状态。它显示了很多有用的信息，包括服务器和工作代号。如果需要，也可以通过此来中止运行工作。

在工作运行过程中，四个文件打开了。这些文件包含了晶体结构、在优化过程中的模型的更新，包含了工作设置参数和运行信息的状态文件，以及总能量和能量改变、应力、压力、位移关于计算步数的图表。当工作结束时，文件会被传回到客户端。

3.分析结果

当结果文件被传输回来，会得到包含下列的数个文件：

•     AlAs.xsd优化后的结构

•     AlAs Trajectory.xtd一个轨迹文件，包含了优化过程中每一步的结构

•     AlAs.castep包含了优化信息的输出文本文件

•     AlAs.param模拟所用输入参数

计算任何一个性质，都回产生相应的.param 和.castep 文件。

在AlAs 结构中，因对称性应力为0，但是应力的大小取决于晶格参数。这样，CASTEP 就会努力去最小化系统的总能量和应力。因此，为保证计算的完成，检查应力的收敛是非常重要的。

在Project Explorer 内，双击AlAs.castep 为当前工作文件。选择菜单栏里的Edit | Find… ，输入“completed successfully”，按下Find Next 按钮。稍向上滚动几行。

看到一个含有两行的表格，最后一列的每一行都显示为Yes，这表明计算成功地结束。

4.将结构与实验数据进行比较

从开始时创建晶胞，就知道晶格常数为5.6622 Å。因此，可以把几何优化完成后的晶格常数与初始的实验数据相比较。实验晶格参数是基于传统元胞，而不是初基元胞，因此需要进行转换。

双击计算完成的AlAs.xsd 使其为当前工作文件。从菜单栏里选择Build | Symmetry | Conventional Cell。

传统元胞显示出来。可以通过数种方法看到晶格常数，最简单的就是打开Lattice Parameters 对话框。

右击模型文件窗口空白处，选择Lattice Parameters 。

晶格矢量应约为5.731Å,，误差约为1%。与实验结果相比，这在伪势平面波方法预计的1-2%的典型误差范围内。高估晶格参数是GGA泛函的典型特征，使用LDA泛函可能会导致低估。继续下一步操作之前，需要保存工作，并关闭所有窗口。

选择菜单栏上的File | Save Project，然后Window | Close All。

注意：更先进的交换相关函数，如PBESOL或WC，旨在产生更准确的晶体结构。收敛测试需要确定设置足够准确。在这种情况下，您可以使用更高的能量截断和更准确的k点采样重复计算。

可以用CASTEP 分析工具得到电荷密度。

从菜单栏里选择CASTEP按钮 ，然后选择Analysis。选择Electron density 选项。

有消息说没有什么结果文件，所有需要指定结果文件。

在Project Explorer 内，双击AlAs.castep。

这将把结果文件和分析对话框关联起来；但是还需要指定一个3D 文件来显示等密度面。

在Project Explorer 内，双击优化后的AlAs.xsd 文件。选择菜单栏里的Build | Symmetry |Primitive Cell。

CASTEP Analysis 对话框上的Import 按钮现在是激活状态。

按下Import 按钮。

等密度面叠加在结构上：

可以通过Display Style 对话框来改变等密度面的设置。

右击该3D 文件空白处，选择Display Style ，选择Isosurface 选项卡。

Isosurface 选项卡如下显示：

这里可以改变不同的等值面数值。

在Isovalue 文本框里，输入0.1，然后按TAB 键。

注意等密度面是如何改变的。

把Transparency 滑条向右移动。

向右移动Transparency 滑条的时候，等密度面变得越来越透明。

在文件上移动鼠标，转动模型。当模型转动的时候，等密度面变成点状显示以提高转动速度。

通过Display Style 对话框可以移走等密度面。取消选择Visible 选项，关闭Display Style 对话框。

可以在任何时候通过勾选上Isosurface 来显示等密度面。

还可以显示Brillouin zone path和Reciprocal lattice。

选择菜单 Tools | Brillouin Zone Path打开Brillouin Zone Path对话框。单击Create 按钮并关闭对话框。

Brillouin zone 和 k-paths 显示可通过Display Style对话框进行操作。

选择Reciprocal 选项卡，移动Transparency 滚动条到最右端。把Scale设为33，并将Path下的 Line width 设为5.00，关闭对话框。

转动结构可以显示此晶格类型的高对称点和标准Brillouin zone 路径。

分析工具可以用来显示态密度(DOS)和能带结构信息。

能带结构图表显示了在布里渊区沿着高对称性方向电子能量对k 波矢的依赖性。这些图提供了一个非常有用的工具，可以对材料的电子结构进行定性分析的。举例来说，很容易就可以确定d和f 态的窄带，这与类似于自由电子的s 和p 电子的能带正好相反。DOS 和PDOS 图表给出了材料的电子结构的定性图像，有时候它们可以直接和实验光谱结果相关联。

CASTEP 的主要输出结果文件AlAs.castep 包含了有限的能带结构和DOS 信息，更多的详细信息包含在AlAs_BandStr.castep 文件内。

打开CASTEP  | Analysis 对话框，选上Band structure。

从这个对话框可以看出，可以把能带结构和态密度信息显示在同一个图表中。

注意：也可以分别显示能带结构和态密度。

选中Show DOS复选框，然后单击More…按钮打开CASTEP DOS Analysis Options对话框。将Integration method设置为“Integration method，将Integration method设置为Fine。单击OK按钮。在CASTEP Analysis对话框中，单击View按钮。

生成一个图表文档，其中包含状态图的带结构和密度。

注意：您可以将任何图表文档导出为逗号分隔的变量文件，然后可以在任何电子表格包(例如Excel)中读取该文件。

另外，CASTEP 还可计算很多其他性质，比如反射率和介电函数等等。

本入门教程到此结束。