CASTEP概述

选择Properties标签，可从中指定我们想要计算的属性。选中Band structure和Density of states。另外，我们也可以具体指明job control选项，例如实时更新等。
CASTEP概述
关于CASTAP
CASTAP是特别为固体材料学而设计的一个现代的量子力学基本 程序，其使用了密度泛函(DFT）平面波赝势方法，进行第一原理量 子力学计算，以探索如半导体，陶瓷，金属，矿物和沸石等材料的 晶体和表面性质。
典型的应用包括表面化学，键结构，态密度和光学性质等研究， CASTAP也可用于研究体系的电贺密度和波函数的3D形式。此外， CASTAP可用于有效研究点缺陷（空位，间隙和置换杂质）和扩展 缺陷（如晶界和位错）的性质。
加到指定的位置，其对话框如下：
在Add Atoms对话框中选择Options标签，确定Coordinate system为Fractional。如上所示。选择Atoms标签，在Element文
本框中键入Al，然后按下Add按钮。铝原子就添加到结构中了。
在Element文本框中键入As。在a, b, c文本框中键入0.25。按 Add按钮。关闭对话框。
注意： CASTAP仅能在3D周期模型文件基础上进行计算，必须构建超单胞，以便研 究分子体系。
提示： CASTAP计算所需时间随原子数平方的增加而增加。因此，建议是用最小的初
晶胞来描述体系，可使用Build\Symmetry\Primitive Cell菜单选项来转换成初晶胞。
➢ 计算设置：合适的3D模型文件一旦确定，必须选择计算类型 和相关参数，例如，对于动力学计算必须确定系综和参数，包括温 度，时间步长和步数。选择运行计算的磁盘并开始CASTAP作业。
有用的。只要给定应力性质，也可用于计算没有内部自由度的高对 称性体系的状态方程（即压力-体积，能量-体积关系）。
注意：具有内部自由度的体系中，利用几何优化（Geometry Optimization)任务可获得 状态方程。
CASTAP中能量的缺损单位是电子伏特(eV)，各种能量单位的换算 关系见Mohr.P.J(2000).
原子添加完毕，我们再使用对称操作工具来构建晶体结构 当中剩余的原子。这些原子也显示在邻近的单胞中。当然，我 们也可以通过重新建造晶体结构来移去这些原子。
从菜单栏中选择Build | Crystals | Rebuild Crystal...，按下 Rebuild按钮。在显示出的晶体结构中那些原子就被移走了。我
Material Studio使用组件对话框中的CASTAP选项允许准备，启 动，分析和监测CASTAP服役工作。 计算：允许选择计算选项（如基集，交换关联势和收敛判据），作 业控制和文档控制。
分析：允许处理和演示CASTAP计算结果。这一工具提供加速整体 直观化以及键结构图，态密度图形和光学性质图形。
几何优化处理产生的模
型结构与真实结构紧密相似。 利用CASTAP计算的晶格参 数精度列于右图。
状态方程计算 在所施加静压力下几何优化可用于确定材料的体模量B和对压力的
导数B‘=dB/dP。过程包括计算理论状态方程（EOS），该方程描述
单胞体积于外部静压力的关系。工艺非常类似于真实实验：使用几 何优化对话框中的应力列表将外部压力固定。通过进行几何优化可 以找到在此压力下的单胞体积。随后的P-V 数据分析与实验研究精 确一致。描述EOS选择分析表达式，其参数适于计算数据点。最流 行的EOS形式是三阶Birch-Murnaghan 方程：
注意 如果你的服务器没有足够快的CPU，本
指南限制使用CASTEP进行几何优化计算，因 为它会占用相当长的时间 。
1 构建AlAs的晶体结构
为了构建晶体结构，我们需要知道你想要构 建的晶体的空间群信息，晶格参数以及它的内 部坐标。以AlAs为例，它的空间群是F-43m或 空间群数字是216。它有两种基本元素Al和As ， 其分数坐标分别为（0 0 0）和（0.25 0.25 0.25）。它的晶格参数为5.6622埃。
用第一原理预测AIAs的晶格参数
本指南主要是阐明在Materials Studio当中如何 运用量子力学来测定物质的晶体结构。你将从 中学到如何构建晶体结构以及如何设置 CASTEP几何优化运行和分析结果。
本指南的内容如下：
1构建AlAs的晶体结构 2设置和运行CASTEP中的计算 3分析结果 4比较实验数据和结构
在Enter group中选择F-43m或在Enter group中单击，然后键入 216，再按下TAB键.(空间群信息框中的信息也随着F-43m空间群的 信息而发生变化 )
选择Lattice Parameters标签，把a的数值从10.00改为5.662。 单击Build按钮。
一个没有原子的晶格就在3D model document中显 示出来。现在我们就可以添加原子了。 从菜单栏中选择Build | Add Atoms。通过它，我们可以把原子添
➢ 结果分析：计算完成后，相关于CASTAP作业的文档返回用 户，在项目面板适当位置显示。这些文档的一些进一步处理要求获 得可观察量如光学性质。 CASTAP中选择一项任务 1 从模块面板（Module Explorer)选择CASTAP\Calculation。 2 选择设置表。 3 从任务列表中选择所要求的任务。 CASTAP能量任务 CASTAP能量任务允许计算特定体系的总能量以及物理性质。
P-V
式中V0 为平衡体积。Cohen 等进行了EOS各种解析式的的详细比 较研究。
注意：从相应实验中获得的B和B‘值依赖于计算使用的压力值范围。
利用金刚石压砧获得的实验值通常在0-30GPa范围内，因此推荐理 论研究也在这个范围内。在研究中避免使用负压力值也很重要。此 外，用于生成P-V 数据序列的压力值可能是不均匀的，在低压力范 围要求更精确采样以便获得体模量精确值。
CASTAP的任务
CASTAP计算是要进行的三个任务中的一个，即单个点的能量 计算，几何优化或分子动力学。可提供这些计算中的每一个以便产 生特定的物理性能。性质为一种附加的任务，允许重新开始已完成 的计算以便产生最初没有提出的额外性能。 在CASTAP计算中有很多运行步骤，可分为如下几组： ➢ 结构定义：必须规定包含所感兴趣结构的周期性的3D模型文 件，有大量方法规定一种结构：可使用构建晶体（Build Crystal)或 构建真空板(Build Vacuum Stab)来构建，也可从已经存在的的结构 文档中引入，还可修正已存在的结构。
第一步是构建晶格。在Project explorer的跟 目 录 上 右 键 单 击 ， 选 中 New | 3D Atomistic Document。接着在3D Atomistic Document右键 单击，把它更名为AlAs。
从菜单中选择Build | Crystals | Build Crystal， 然后显示出Build Crystal对话框，如下：
CASTAP动力学任务
CASTAP动力学任务允许模拟结构中原子在计算力的影响下将 如何移动。
在进行CASTAP动力学计算以前，可以选择热力学系综和相应 参数，定义模拟时间和模拟温度。
选择热力学系综
对牛顿运动定律积分允许探索体系恒值能量表面（NVE动力学）。 然而，在体系与环境进行热交换条件下发生最本质的现象。使用 NVT系综（或者是确定性的Nosé系综或者是随机性的Langevin 系综） 可模拟该条件。
定义时间步长（timestep ） 在积分算法中重要参数是时间步长。为更好利用计算时间，
应使用大的时间步长。然而，如果时间步长过大，则可导致积分 过程的不稳定和不精确。典型地，这表示为运动常数的系统偏差。
注意：量子力学分子动力学计算要求比力场动力学使用更小的时间步长。
动力学过程的约束 CASTAP支持Langevin NVT或NVE动力学过程的线性约束。然
➢
应力：计算应力张量，并写入seedname.castep 文档。
如果要进行单胞参数固定时进例如，可进行符合于给定体系
理论基态的固定单胞的点缺陷的超晶胞研究。几何优化后的应力值
显示了与超单胞近似相关联的弹性效应。
注意：为计算某种性质，从适当模拟得到的结果文档必须以当前的文件夹形式出现。
几何优化方法 在缺损条件下，CASTAP使用BFGS几何优化方法。该方法通常
提供了寻找最低能量结构的最快途径，这是支持CASTAP单胞优化 的唯一模式。
衰减分子动力学（ Damped molecular dynamics）方法是另一种 可以选择的方法，该方法对具有平滑势能表面的体系如分子晶体或 表面分子与BFGS同样有效。
除了总能量之外，在计算之后还可报告作用于原子上的力；也
能创建电荷密度文件；利用材料观测仪（Material Visualizer)允许目 测电荷密度的立体分布；还能报告计算中使用的Monkhorst-Park的k 点的电子能量，因此在CASTAP分析中可生成态密度图。 对于能够得到可靠结构信息的体系的电子性质的研究，能量任务是
AlAs的原胞
下面我们将要优化它的几何结构。
把Task改为Geometry Optimization ，把Quality改为Fine。
优
化当中的默认设置是优化原子坐标.尽管如此,在本例中我们不仅要
优化原子坐标也要优化晶格.
按下Task右侧的More...按钮， 选中Optimize Cell。关闭对话框. 当我们改变Quality时,其他的参数也会有所改变来反映Quality的 改变。
们可以把显示方式变为Ball and Stick。
在模型文档中右键单击，选择Display Styles，按下Ball and
stick按钮。关闭对话框。
在3D视窗中的晶体结构是传统的单胞，它显示的是格子的 立方对称。如果存在的话，CASTEP使用的则是格子的全部对称. 既包含有两个原子的原胞和包含有8个原子的单胞是相对应的. 不论单胞如何定义，电荷密度，键长，每一类原子的总体能量 都是一样的，并且由于使用了较少的原子 ,使计算时间得以减少。