中科大MaterialsStudio培训教程
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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。
中科大MaterialsStudio培训教程
* 显示扩展名 * 不支持中文目录
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 学根本程序，其使用了密度泛函(DFT〕平面波赝势方法，进展 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外表性质。
注意: 如果你的效劳器没有足够快的CPU，请慎用CASTEP进展几何优化计算，因为 它会占用相当长的时间 。
1. 构建AlAs的晶体构造
空间群是F-43m
Al的分数坐标：(0 0 0〕 (1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) 〔0 1/2 1/2 As的分数坐标：(3/4 3/4 3/4〕 (1/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 1/4) 〔3/4 1/
Atom # OX SITE x
y
z
SOF H
Al 1 +3 4 a 0
0
0
1. 0
As 2 -3 4 c 0.25 0.25 0.25 1. 0
*end for
ICSD #67784
作业1：解释 符号和群F43m的意思， 给出参考书。
Ba3Si6O9N4
需输入3个Ba 2个Si 2个N 3个O
* 从菜单栏中选择Build / Add Atoms。通过Add Atoms 对话框，我们可以 把原子添加到指定的位置，其对话框如下：
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构造，使用者
将学会如何构建晶体构造，设பைடு நூலகம்一个CASTEP几何优化任务，然后分析计算结果。
内容 1. 构建AlAs的晶体构造 2. 设置并进展CASTEP计算 3. 分析结果 4. 比较计算的构造参数和实验数据
(1)图示电荷密度 (2)图示态密度和带构造
CASTAP动力学任务
CASTAP动力学任务允许模拟构造中原子在计算力的影响下将如 何移动。
在进展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外表〔NVE动力学〕。 然而，在体系与环境进展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。
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 体直观化以及键构造图，态密度图形和光学性质图形。
CASTAP的任务
CASTAP计算是要进展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，允许重新开场 已完成的计算以便产生最初没有提出的额外性能。
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，那么可导致积分过程 的不稳定和不准确。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。
CASTAP性质任务 CASTAP性质任务允许在完成能量，几何优化或动力学运行
（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）
构建一个晶体构造，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.。
P-V
式中V0 为平衡体积。Cohen 等进展了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。在研究中防止使用负压力值 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准确采样以便获得体模量准确值。
对于能够得到可靠构造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〕。
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).
右击3D Atomistic document文件，将该文件重新命名为。
从菜单栏里选择Build / Crystals / Build Crystal。 Build Crystal 对话框显示出来。
杨碚芳课
点击Enter group 输入216，按下 TAB 按钮(或在Enter group中选择 F-43m)，空间群信息更新为F-43m 空间群。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。
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“翻开〞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。
如果要进展单胞参数固定时进展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，可进展符合于 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。
用第一原理预测AlAs的晶格参数
注意： CASTAP仅能在3D周期模型文件根底上进展计算，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，建议用最小的原胞来描述体系，可使用 Build\Symmetry\Primitive Cell菜单项选择项来转换成原胞。
* 计算设置：适宜的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场 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，在工程面板适当位置显示。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。
几何优化处理产生的模 型构造与真实构造严密相 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。通过进展几 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 实验研究准确一致。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：
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。
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 能创立电荷密度文件；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。
在CASTAP计算中有很多运行步骤，可分为如下几组：
* 构造定义：必须规定包含所感兴趣构造的周期性的3D模型文 件，有大量方法规定一种构造：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 经存在的的构造文档中引入，还可修正已存在的构造。
1 eV=0.036749308 Ha=23.0605 kcal/mole=96.4853
CASTAP几何优化任务
CASTAP几何优化任务允许改善构造的几何，获得稳定构造 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构造的总能量最小化。
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。
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，通过周期表，在Element文本框 中输入Al， 再输入Al 的分数坐标 (0, 0, 0)，然后按下Add按 钮，铝原子就添加到构造中了。
* 从菜单栏中选择View / Display Style。在 翻开的对话框中，选择Ball and stick显示方 式。
选择Lattice Parameters 标签， 把a值从10.00 变为。点击 Build 按钮。
一个没有原子的3D 格子显示在3D Atomistic 文件里。
AsAl?
单击此图标， 然后可旋转 晶格，显示 其立体构造。
输入几个原子？
Al的分数坐标：(0 0 0〕 (1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) 〔0 1/2 1/2 As的分数坐标：(3/4 3/4 3/4〕 (1/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 1/4) 〔3/4 1/
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构造的最快途径，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外表的体系如分 子晶体或外表分子与BFGS同样有效。
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。
中科大MaterialsStudio培训教程
* 显示扩展名 * 不支持中文目录
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 学根本程序，其使用了密度泛函(DFT〕平面波赝势方法，进展 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外表性质。
注意: 如果你的效劳器没有足够快的CPU，请慎用CASTEP进展几何优化计算，因为 它会占用相当长的时间 。
1. 构建AlAs的晶体构造
空间群是F-43m
Al的分数坐标：(0 0 0〕 (1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) 〔0 1/2 1/2 As的分数坐标：(3/4 3/4 3/4〕 (1/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 1/4) 〔3/4 1/
Atom # OX SITE x
y
z
SOF H
Al 1 +3 4 a 0
0
0
1. 0
As 2 -3 4 c 0.25 0.25 0.25 1. 0
*end for
ICSD #67784
作业1：解释 符号和群F43m的意思， 给出参考书。
Ba3Si6O9N4
需输入3个Ba 2个Si 2个N 3个O
* 从菜单栏中选择Build / Add Atoms。通过Add Atoms 对话框，我们可以 把原子添加到指定的位置，其对话框如下：
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构造，使用者
将学会如何构建晶体构造，设பைடு நூலகம்一个CASTEP几何优化任务，然后分析计算结果。
内容 1. 构建AlAs的晶体构造 2. 设置并进展CASTEP计算 3. 分析结果 4. 比较计算的构造参数和实验数据
(1)图示电荷密度 (2)图示态密度和带构造
CASTAP动力学任务
CASTAP动力学任务允许模拟构造中原子在计算力的影响下将如 何移动。
在进展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外表〔NVE动力学〕。 然而，在体系与环境进展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。
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 体直观化以及键构造图，态密度图形和光学性质图形。
CASTAP的任务
CASTAP计算是要进展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，允许重新开场 已完成的计算以便产生最初没有提出的额外性能。
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，那么可导致积分过程 的不稳定和不准确。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。
CASTAP性质任务 CASTAP性质任务允许在完成能量，几何优化或动力学运行
（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）
构建一个晶体构造，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.。
P-V
式中V0 为平衡体积。Cohen 等进展了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。在研究中防止使用负压力值 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准确采样以便获得体模量准确值。
对于能够得到可靠构造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〕。
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).
右击3D Atomistic document文件，将该文件重新命名为。
从菜单栏里选择Build / Crystals / Build Crystal。 Build Crystal 对话框显示出来。
杨碚芳课
点击Enter group 输入216，按下 TAB 按钮(或在Enter group中选择 F-43m)，空间群信息更新为F-43m 空间群。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。
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“翻开〞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。
如果要进展单胞参数固定时进展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，可进展符合于 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。
用第一原理预测AlAs的晶格参数
注意： CASTAP仅能在3D周期模型文件根底上进展计算，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，建议用最小的原胞来描述体系，可使用 Build\Symmetry\Primitive Cell菜单项选择项来转换成原胞。
* 计算设置：适宜的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场 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，在工程面板适当位置显示。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。
几何优化处理产生的模 型构造与真实构造严密相 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。通过进展几 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 实验研究准确一致。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：
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。
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 能创立电荷密度文件；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。
在CASTAP计算中有很多运行步骤，可分为如下几组：
* 构造定义：必须规定包含所感兴趣构造的周期性的3D模型文 件，有大量方法规定一种构造：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 经存在的的构造文档中引入，还可修正已存在的构造。
1 eV=0.036749308 Ha=23.0605 kcal/mole=96.4853
CASTAP几何优化任务
CASTAP几何优化任务允许改善构造的几何，获得稳定构造 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构造的总能量最小化。
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。
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，通过周期表，在Element文本框 中输入Al， 再输入Al 的分数坐标 (0, 0, 0)，然后按下Add按 钮，铝原子就添加到构造中了。
* 从菜单栏中选择View / Display Style。在 翻开的对话框中，选择Ball and stick显示方 式。
选择Lattice Parameters 标签， 把a值从10.00 变为。点击 Build 按钮。
一个没有原子的3D 格子显示在3D Atomistic 文件里。
AsAl?
单击此图标， 然后可旋转 晶格，显示 其立体构造。
输入几个原子？
Al的分数坐标：(0 0 0〕 (1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) 〔0 1/2 1/2 As的分数坐标：(3/4 3/4 3/4〕 (1/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 1/4) 〔3/4 1/
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构造的最快途径，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外表的体系如分 子晶体或外表分子与BFGS同样有效。