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1、训练7:用第一性原理预测AlAs的晶 格参数 背景：最近在密度泛函理论方法(DFT)应用于大 周期系统的研究方面的进展在解决材料设计和 加工上变得越来越重要。该理论允许对实验数 据进行解释，测定材料的潜在性质等等。这些 工具可以被用来指导新材料的设计，允许研究 者了解潜在的化学和物理过程。 本指南描绘了CASTEP是如何使用量子力学方 法来测定材料的晶体结构，使用者将学会如何 构建晶体结构，设定一个CASTEP几何优化任 务，然后分析计算结果。 1. 构建AlAs晶体结构 构建晶体结构，需要了解空间群、晶格参 数和晶体的内坐标等知识。对AlAs来说， 空间群是F-43m，空间群代号为216。基
2、态 有两个原子，Al和As的分数坐标分别为(0, 0, 0)和(0.25, 0.25, 0.25)，晶格参数为 5.6622 .。 建立晶格: 在Project Explorer内，右击根目录选择 New | 3D Atomistic Document。 右击该文件，将该文件重新命名为AlAs.xsd 。 从菜单栏里选择Build | Crystals | Build Crystal。 Build Crystal对话框显示出来。 点击Enter group输入216，按下TAB 按钮。 空间群信息更新为F-43m空间群。 选择Lattice Parameters标签栏，把值从10.00变为5.
3、662。 点击Build按钮。 一个空白的3D格子显示在3D Atomistic文件里。 添加原子:选择菜单栏里的Build | Add Atoms。 使用对话框，可以在确定的位置添加原子。 在Add Atoms对话框上，选择Options标签 栏。选择Atoms 标签栏。在Element文本框里 ，输入Al，然后按下Add按 钮。 铝原子被添加到结构中 在Element文本框中，输入As。在a、b和c文本框分别输入 0.25。按下Add按钮。关闭此对话框。 原子被添加到结构中，对称算符被用来建立晶体结构 中的剩下的原子。原子也会显示在相邻元胞中，这描 绘了AlAs结构的化学键的拓扑图像。 将
4、外部原子被移走，并且晶体结构显示出来 。可以把显示模式改为球棍模式。 3D Viewer内的晶体结构是传统元胞，显示了晶格 的立方对称性。 CASTEP使用晶格的完全对称性，如果存在的话 。 这样，每个元胞包含两个原子的原始晶格可被用 来计算，这与包含了8个原子的传统晶格不同。 电荷密度、键长和每个原子的总能量将是一样的 ，而不管这个元胞是如何被定义的。 在元胞中使用了较少的原子，计算时间将被缩短 。 右击结构文件，选择Display Style。在Atom标签栏上，选择 Ball and stick选项。 模型文件显示为原始胞。 选择菜单栏里的Build | Symmetry | Primi
5、tive Cell。 2. 设置CASTEP计算任务 选择工具条中的CASTEP工具，然后选择 Calculation。 CASTEP的Calculation对话框显示为： 对结构进行几何优化 把Task改为Geometry Optimization，计算 精度设置为Fine。 优化的默认设置是只对原子的坐标进行优 化。然而，本例中，在对原子坐标进行优 化的同时也要对晶格进行优化。 按下与Task相关的More按钮，勾选上 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标签栏。 勾选上Band structure和D
6、ensity of states。 在实时更新的时候，也可以指定工作控制选项 选择Job Control标签栏，按下More按钮。 在CASTEP Job Control Options对话框里，改变 Update interval为30.0 s，关闭此对话框。 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结果。 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 码。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
7、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 及一个关于总能量和能量、应力、压力和位移为 循环次数函数的图表。 当工作结束时，文件会被传回到客户端，这个视 乎文件的大小而所需时间有所不同。 3.分析计算结果 当结果文件被传输回来，会得到包含下列的数个 文件： AlAs.xsd 最后的优化结构 AlAs Trajectory.xtd - 一个轨迹文件，包含了每一 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.param和.castep文 件。 在AlAs结构中，因对称性应力为0，但是压力
8、的大小 取决于晶格参数。这样，CASTEP就会努力去最小 化系统的总能量和压力。因此，为保证计算能够合 适地完成，选上压力收敛是非常重要的。 在Project Explorer内，点击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。 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. 与实验数据对比 从开始时创建晶胞，就知道晶格长度为 5.6622 。因此，可以把最小化后的晶格 长度与初始的实验数据相比较。实验晶格 长度是基于传统胞，而不是原
9、始胞，因此 需要加以转换。 双击AlAs.xsd使其为当前工作文件。从菜单栏 里选择Build | Symmetry | Conventional Cell。 传统胞显示出来。有数种方法看到晶格长度， 最简单的一种就是打开Lattice Parameters对话 框。 右击模型文件，选择Lattice Parameters。 继续之前，需要保存工作，并关闭所有窗口。 选择菜单栏上的File | Save Project，然后是 Window | Close All。 5.可视化电荷密度 可以用CASTEP分析工具得到电荷密度。 从菜单栏里选择CASTEP，然后选择Analysis。 选择Ele
10、ctron 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，
11、选择Display Style，选择 Isosurface标签栏。 Isosurface标签显示： 这里可以改变不同的设置。 在Iso-value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，滚动模型。 当模型滚动的实户，等密度面变成点状显示以提 高滚动速度。 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
12、示等 密度面。 6.态密度和能带结构 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矢的依赖性。这些图标提供了一个对材料的电 子结构进行定性分析的非常有用的工具。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能 带的s和p电子正好相反。 DOS和PDOS图表给出了材料的电子结构的一个快速 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。 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。当然，可以分别显 示能带结构和态密度。 还可以借助CASTEP来计算很多其他性质，比如 反射率和介电函数等等。 知识回顾知识回顾 Knowledge Knowledge ReviewReview
