中科大 Materials Studio 培训教程 5(包你学会)请将这一系列全看完,一定有收获。精讲
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之后求出电子和构造性质。可以产生的性质如下： * 态密度〔DOS〕：利用原始模拟中产生的电荷密度和势能， 非自恰计算价带和导带的精细Monkhorst-Pack 网格上的电 子本征值。 * 带构造：利用原始模拟中产生的电荷密度和势能，非自恰计 算价带和导带的布里渊区高对称性方向电子本征值。 * 光学性质：计算电子能带间转变的矩阵元素。CASTAP分析 对话可用于生成包含可以测得的光学性质的网格和图形文件。 * 布局数分析：进展Mulliken 分析。计算决定原子电荷的键总 数和角动量〔以及自旋极化计算所需的磁矩〕。任旋地，可产 生态密度微分计算所要求的分量。 * 应力：计算应力张量，并写入seedname.castep 文档。
目的: 介绍CASTEP中的构造优化， 使用立体可视化工具显示等值面 模块: Materials Visualizer, CASTEP 前提: 使用晶体建模工具
背景 密度泛函理论 (DFT)在周期性大尺度材料上应用的进展，对材料设计和加工
越来越重要。该理论使得研究者能对实验数据进展解释；并从未知晶体的构造性 质、结合能和外表分子的活动性确定材料的本征性质。这些理论工具可用于指导 新材料的设计，帮助研究者了解内在的化学和物理过程。
典型的应用包括外表化学，键构造，态密度和光学性质等研究， CASTAP也可用于研究体系的电荷密度和波函数的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。
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。
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* 显示扩展名 * 不支持中文目录
CASTEP概述
关于CASTAP
目的: 介绍CASTEP中的构造优化， 使用立体可视化工具显示等值面 模块: Materials Visualizer, CASTEP 前提: 使用晶体建模工具
背景 密度泛函理论 (DFT)在周期性大尺度材料上应用的进展，对材料设计和加工
越来越重要。该理论使得研究者能对实验数据进展解释；并从未知晶体的构造性 质、结合能和外表分子的活动性确定材料的本征性质。这些理论工具可用于指导 新材料的设计，帮助研究者了解内在的化学和物理过程。
典型的应用包括外表化学，键构造，态密度和光学性质等研究， CASTAP也可用于研究体系的电荷密度和波函数的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。
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。
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CASTEP概述
关于CASTAP
materials studio操作手册
materials studio操作手册Materials Studio是一款功能强大的材料模拟软件，广泛应用于材料科学、化学、物理等领域。
本手册旨在向初学者介绍Materials Studio 的基本操作方法，帮助读者快速上手和熟练使用该软件。
一、软件介绍Materials Studio是由Accelrys公司开发的一款材料模拟软件，提供了多种计算和模拟工具，包括材料结构建模、分子动力学模拟、密度泛函理论计算等。
软件界面简洁直观，操作相对简单，适合初学者学习和使用。
二、软件安装1. 下载Materials Studio安装包，双击运行安装程序。
2. 按照安装向导的提示进行安装，并选择安装路径。
3. 安装完成后，打开软件，输入许可证信息进行激活。
三、材料结构建模1. 打开Materials Studio，点击菜单栏的“建模”选项。
2. 在“建模”界面中，选择所需的建模工具，如“晶体构建”、“分子段构建”等。
3. 根据需要输入所需的参数，如晶体的晶面、晶格常数等。
4. 完成结构建模后，保存并命名该模型。
四、模拟计算1. 在Materials Studio主界面，点击菜单栏的“计算模拟”选项。
2. 在“计算模拟”界面中，选择所需的计算方法，如分子动力学模拟、能带计算等。
3. 根据需要输入所需的参数，如温度、压力、模拟时间等。
4. 点击“开始计算”按钮，等待计算结果的生成。
五、数据分析与可视化1. 根据计算结果，在Materials Studio主界面选择“后处理与分析”选项。
2. 在“后处理与分析”界面中，选择所需的分析工具，如晶体结构分析、能带分析等。
3. 输入相应的参数和选择所需的分析方法。
4. 运行分析工具后，生成分析结果，并通过可视化方式展示。
六、参数优化1. 在Materials Studio主界面，选择“参数优化”选项。
2. 在“参数优化”界面中，选择所需的优化算法，如遗传算法、全局优化算法等。
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第一步是建立晶格。 在D disk上建立英文目录D:\class3。按下面步骤,在Project Explorer 内，建立AlAs根目录。
从“开始” 或快捷图 标打 开MS。
找到class3， 按“打开”按 钮
输入AlAs，这将是 新的Project的名字。
在 Project Explorer中，右击根目录AlAs，选择New | 3D Atomistic Document。
1 eV=0.036749308 Ha=23.0605 kcal/mole=96.4853 kJ/mole
CASTAP几何优化任务
CASTAP几何优化任务允许改善结构的几何，获得稳定结构 或多晶型物。通过一个迭代过程来完成这项任务，迭代过程中 调整原子坐标和晶胞参数使结构的总能量最小化。
CASTAP几何优化是基于减小计算力和应力的数量级，直到 小于规定的收敛误差。也可能给定外部应力张量来对拉应力、 压应力和切应力等作用下的体系行为模型化。在这些情况下反 复迭代内部应力张量直到 与所施加的外部应力相等。
引言 本指南介绍了CASTEP是如何使用量子力学方法来确定材料的晶体结构，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。
内容 1. 构建AlAs的晶体结构 2. 设置并进行CASTEP计算 3. 分析结果 4. 比较计算的结构参数和实验数据
(1)图示电荷密度 (2)图示态密度和带结构
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。
从“开始” 或快捷图 标打 开MS。
找到class3， 按“打开”按 钮
输入AlAs，这将是 新的Project的名字。
在 Project Explorer中，右击根目录AlAs，选择New | 3D Atomistic Document。
1 eV=0.036749308 Ha=23.0605 kcal/mole=96.4853 kJ/mole
CASTAP几何优化任务
CASTAP几何优化任务允许改善结构的几何，获得稳定结构 或多晶型物。通过一个迭代过程来完成这项任务，迭代过程中 调整原子坐标和晶胞参数使结构的总能量最小化。
CASTAP几何优化是基于减小计算力和应力的数量级，直到 小于规定的收敛误差。也可能给定外部应力张量来对拉应力、 压应力和切应力等作用下的体系行为模型化。在这些情况下反 复迭代内部应力张量直到 与所施加的外部应力相等。
引言 本指南介绍了CASTEP是如何使用量子力学方法来确定材料的晶体结构，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。
内容 1. 构建AlAs的晶体结构 2. 设置并进行CASTEP计算 3. 分析结果 4. 比较计算的结构参数和实验数据
(1)图示电荷密度 (2)图示态密度和带结构
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。
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msi ?
2.调整显示方式 在 3D Viewer 上按右键，出右键菜单，选 Display Style ，Display Style 对话
框中的各选项的意义如下：
Atom 栏： Display Style: Line：线状模型。 Stick：棍状模型。 Ball and stick：球棍模型。 CPK：球堆砌模型。 Polyhedron：多面体堆积模型（晶体）。
3. 在此可改变模块和 图示工具的设置值。 初学者慎用。
在layer builder中试 试。
二. 打开并且观察3D 文档 目的: 介绍Materials Studio 中文档 documents 的概念 模块: Materials Visualizer 前提: 已生成一个Project
Materials Studio 使用了多种类型的文件，如3D Atomistic and Mesoscale、 text、chart、 HTML、 study table、grid、script、 和 forcefield documents。在 后面进行计算时，这些文件将逐个显示在projects中，反映了计算的过程。 现在 的教学中, 主要出现的是 3D Atomistic 类型的文件。
3D Viewer工具栏
通过选择相应的工具并在3D 结构上拖动来改变结构视图。 Rotate:旋转结构视图。使用三键鼠标，右键是旋转操作。 Zoom:向上或者右侧拖动可以增大所选结构的视图；向下或者向左侧拖动会缩小所 选结构的视图。使用三键鼠标，也可用鼠标上的滚轮进行3D结构的放大、缩小。 Translation:将结构沿着不同的方向平移。 对于三键鼠标来说，左键执行所选操作，右键则是旋转操作，同时按下左健和右键 则会完成缩放操作。此外还可以将键盘和鼠标联用来完成上述操作。
2.调整显示方式 在 3D Viewer 上按右键，出右键菜单，选 Display Style ，Display Style 对话
框中的各选项的意义如下：
Atom 栏： Display Style: Line：线状模型。 Stick：棍状模型。 Ball and stick：球棍模型。 CPK：球堆砌模型。 Polyhedron：多面体堆积模型（晶体）。
3. 在此可改变模块和 图示工具的设置值。 初学者慎用。
在layer builder中试 试。
二. 打开并且观察3D 文档 目的: 介绍Materials Studio 中文档 documents 的概念 模块: Materials Visualizer 前提: 已生成一个Project
Materials Studio 使用了多种类型的文件，如3D Atomistic and Mesoscale、 text、chart、 HTML、 study table、grid、script、 和 forcefield documents。在 后面进行计算时，这些文件将逐个显示在projects中，反映了计算的过程。 现在 的教学中, 主要出现的是 3D Atomistic 类型的文件。
3D Viewer工具栏
通过选择相应的工具并在3D 结构上拖动来改变结构视图。 Rotate:旋转结构视图。使用三键鼠标，右键是旋转操作。 Zoom:向上或者右侧拖动可以增大所选结构的视图；向下或者向左侧拖动会缩小所 选结构的视图。使用三键鼠标，也可用鼠标上的滚轮进行3D结构的放大、缩小。 Translation:将结构沿着不同的方向平移。 对于三键鼠标来说，左键执行所选操作，右键则是旋转操作，同时按下左健和右键 则会完成缩放操作。此外还可以将键盘和鼠标联用来完成上述操作。
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要计算片断的电荷密度 差，必须首先定义片断。使 用Edit Sets 选项来执行。 首先建立一个含有碳原子和 氧原子的片断。 选择菜单栏里的Edit / Edit sets。
1
1
1
点击选上碳原子，按下SHIFT 键，点击氧原子。
1
在Edit Sets 对话框里，点击 New。在Define New Set 对话 框里，输入CO DensityDifference， 按下OK。 注意在模型(1x1) CO on Pd (1 1 0).xsd 中的CO 分子现 在是加亮的，并且被标记为刚 才设定的名称。不必定义Pd 表 面，因为CASTEP 会自动假设 剩下的原子在计算电荷密度差 别的时候是排除在考虑之外的。 关闭Edit Sets 对话框。
(2) 建立Pd晶体，结构优化
Materials Studio所提供的结构库中包含有Pd的晶体结构。在Project Explorer中，右键单击Pd bulk文件夹并且选择Import....，从Structures / metals / pure-metals中导入Pd.msi。
1 2 3 4
5
注意真空层的方向在oc
结构由2D 变为3D，并且一个真空层被加到原子的上方。
真 空 层
C B 旋转此3D图，注意OA、OB、 OC的方向与X、Y、Z三个坐 标轴不同。真空层沿OC方向。
O
A
右击3D 模型，选择Lattice Parameters，选择Advanced 标签，按下Reorient to standard 按钮，关闭此对话框。
创建一个表面是一个两步过程。首先是要切出一个表面，其次就是创建一个包 含了表面的真空层。 从菜单栏里选择Build | Surfaces / Cleave Surface。把Cleave plane (h k l) 从 (-1 0 0) 改为(1 1 0)，按下TAB 键。把Fractional Thickness 提高至1.5。按下 Cleave 按钮，关闭此对话框。
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前面的添加原子操作也可用下面图标来实现。这里 不再重复。
单击此图标，出 现添加原子Add Atoms 对话框。 选择原子名称， 输入分数坐标， 按Add，则原子 添加到晶体结构 图中。重复操作， 直到添加完晶胞 中的所有原子。 关闭Add Atoms 框。
* 从上面的AlAs晶体结构看出，近邻晶胞中的原子也显示出来。这种
CASTAP几何优化任务允许改善结构的几何，获得稳定结 构或多晶型物。通过一个迭代过程来完成这项任务，迭代过程 中调整原子坐标和晶胞参数使结构的总能量最小化。
CASTAP几何优化是基于减小计算力和应力的数量级，直到 小于规定的收敛误差。也可能给定外部应力张量来对拉应力、 压应力和切应力等作用下的体系行为模型化。在这些情况下反 复迭代内部应力张量直到 与所施加的外部应力相等。
用第一原理预测AlAs的晶格参数
目的: 介绍CASTEP中的结构优化， 使用立体可视化工具显示等值面 模块: Materials Visualizer, CASTEP 前提: 使用晶体建模工具
背景 密度泛函理论 (DFT)在周期性大尺度材料上应用的进展，对材料设计和加工
越来越重要。该理论使得研究者能对实验数据进行解释；并从未知晶体的结构性 质、结合能和表面分子的活动性确定材料的本征性质。这些理论工具可用于指导 新材料的设计，帮助研究者了解内在的化学和物理过程。
* 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行几何优化运行和要检查点 阵偏离平衡的程度，这些信息是有用的。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。
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几何优化方法 在默认条件下，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。
引言 本指南介绍了CASTEP是如何使用量子力学方法来确定材料的晶体结构，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。
内容 1. 构建AlAs的晶体结构 2. 设置并进行CASTEP计算 3. 分析结果 4. 比较计算的结构参数和实验数据
(1)图示电荷密度 (2)图示态密度和带结构
用第一原理预测AlAs的晶格参数
目的: 介绍CASTEP中的结构优化， 使用立体可视化工具显示等值面 模块: Materials Visualizer, CASTEP 前提: 使用晶体建模工具
背景 密度泛函理论 (DFT)在周期性大尺度材料上应用的进展，对材料设计和加工
越来越重要。该理论使得研究者能对实验数据进行解释；并从未知晶体的结构性 质、结合能和表面分子的活动性确定材料的本征性质。这些理论工具可用于指导 新材料的设计，帮助研究者了解内在的化学和物理过程。
（1/4 3/4 1/4）
（3/4 3/4 3/4）
(1/2 1/2 0) （3/4 1/4 1/4）
（0 1/2 1/2） (1/4 1/4 3/4)
(0 0 0）
(1/2 0 1/2)
As: (3/4 3/4 3/4）= (1/4 1/4 1/4）
构建一个晶体结构，需要知道该晶体的空间群、晶格参数和晶体的内坐 标。对AlAs 来说，空间群是F-43m，空间群代号为216。原胞有两个原子， 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 Å.。
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此时按下 ALT key 单击鼠标左键，则出现一个具有 with resonant bonds 的 芳香环aromatic ring)
Sketch Atom 按钮 可以画任意元素的原子，默认画碳原子。下面要将双碳 原子侧链接到环上。
在绘图工具栏(Sketch toolbar) 上单击Sketch Atom 按钮 ，松开，然后鼠 标移动到环的3D文档中，这时鼠标看起来象一只“铅笔”。将“铅笔”移到环的一 个碳原子上，这个碳原子变蓝。左键单击此碳原子，将键连接到该原子上。移动“ 铅笔”并在3D的合适位置单击左键，设置另一个碳原子。键自动加在此碳原子与环 之间。将“铅笔”移到另一位置，双击左键，又画出一个碳原子。这样就作出了连 到碳环上的一个双碳原子链。
选择相应的对象单击
* 在TON 结构上单击选中的原子此原子颜色改变，说明被选中
* 单击一个键此键的颜色改变，说明被选中
键被
选中
原子被选中
* 按住鼠标左键沿斜线托拽，可以选择一定区域内的所有对象，包括原子和键
此区域的 原子和键 都被选中
* 在结构中的某个原子或键上双击鼠标可以选择整个结构 * 在3D Viewer 上无TON 结构的地方单击或双击鼠标则取消对象的选择。 * 需要将结构保存为project的一部分时，单击3D Viewer 的 ，再按 Yes 按钮。 * File / Save Project ，Windows / Close All
To monitor and adjust distances
下面建造苯甲酰胺结构：
1. 生成新的3D文档 在菜单上选择File / New并且选择3D Atomistic 后单击OK此时文件名称出现在左
侧的Project Explorer 中，名称为3D Atomistic.xsd，在其上单击鼠标右键，选择 Rename ，将名称改为my-benzamide。
Sketch Atom 按钮 可以画任意元素的原子，默认画碳原子。下面要将双碳 原子侧链接到环上。
在绘图工具栏(Sketch toolbar) 上单击Sketch Atom 按钮 ，松开，然后鼠 标移动到环的3D文档中，这时鼠标看起来象一只“铅笔”。将“铅笔”移到环的一 个碳原子上，这个碳原子变蓝。左键单击此碳原子，将键连接到该原子上。移动“ 铅笔”并在3D的合适位置单击左键，设置另一个碳原子。键自动加在此碳原子与环 之间。将“铅笔”移到另一位置，双击左键，又画出一个碳原子。这样就作出了连 到碳环上的一个双碳原子链。
选择相应的对象单击
* 在TON 结构上单击选中的原子此原子颜色改变，说明被选中
* 单击一个键此键的颜色改变，说明被选中
键被
选中
原子被选中
* 按住鼠标左键沿斜线托拽，可以选择一定区域内的所有对象，包括原子和键
此区域的 原子和键 都被选中
* 在结构中的某个原子或键上双击鼠标可以选择整个结构 * 在3D Viewer 上无TON 结构的地方单击或双击鼠标则取消对象的选择。 * 需要将结构保存为project的一部分时，单击3D Viewer 的 ，再按 Yes 按钮。 * File / Save Project ，Windows / Close All
To monitor and adjust distances
下面建造苯甲酰胺结构：
1. 生成新的3D文档 在菜单上选择File / New并且选择3D Atomistic 后单击OK此时文件名称出现在左
侧的Project Explorer 中，名称为3D Atomistic.xsd，在其上单击鼠标右键，选择 Rename ，将名称改为my-benzamide。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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 性原理量子力学计算，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荷密度和波函数的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。
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。
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。
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）。
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 述单胞体积与外部静压力的关系。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： 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。
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中能量的默认单位是电子伏特(eV)，各种能量单位的换 算关系见Mohr.P.J(2000). 1 eV=0.036749308 Ha=23.0605 kcal/mole=9随原子数平方的增加而增加。因此，建 议用最小的原胞来描述体系，可使用 Build\Symmetry\Primitive Cell菜单选项来转换成原胞。
* 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。 * 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几何优化任务
CASTAP几何优化任务允许改善结构的几何，获得稳定结构 或多晶型物。通过一个迭代过程来完成这项任务，迭代过程中 调整原子坐标和晶胞参数使结构的总能量最小化。 CASTAP几何优化是基于减小计算力和应力的数量级，直到 小于规定的收敛误差。也可能给定外部应力张量来对拉应力、 压应力和切应力等作用下的体系行为模型化。在这些情况下反 复迭代内部应力张量直到 与所施加的外部应力相等。
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。 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。
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。
几何优化方法 在默认条件下，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。
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 性原理量子力学计算，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荷密度和波函数的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。
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。
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。
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）。
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 述单胞体积与外部静压力的关系。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： 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。
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中能量的默认单位是电子伏特(eV)，各种能量单位的换 算关系见Mohr.P.J(2000). 1 eV=0.036749308 Ha=23.0605 kcal/mole=9随原子数平方的增加而增加。因此，建 议用最小的原胞来描述体系，可使用 Build\Symmetry\Primitive Cell菜单选项来转换成原胞。
* 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。 * 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几何优化任务
CASTAP几何优化任务允许改善结构的几何，获得稳定结构 或多晶型物。通过一个迭代过程来完成这项任务，迭代过程中 调整原子坐标和晶胞参数使结构的总能量最小化。 CASTAP几何优化是基于减小计算力和应力的数量级，直到 小于规定的收敛误差。也可能给定外部应力张量来对拉应力、 压应力和切应力等作用下的体系行为模型化。在这些情况下反 复迭代内部应力张量直到 与所施加的外部应力相等。
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。 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。
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。
几何优化方法 在默认条件下，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。