CASTEP模块计算电子态密度DOS

关于CASTEP

关于CASTEPCASTEP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， CASTEP也可用于研究体系的电荷密度和波函数的3D形式。

此外， CASTEP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CASTEP选项允许准备，启动，分析和监测CASTEP 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CASTEP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。

CASTEP的任务CASTEP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CASTEP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： CASTEP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： CASTEP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。

CASTEP计算理论总结+实例分析

CASTEP 计算理论总结XBAPRSCASTEP 特点是适合于计算周期性结构，对于非周期性结构一般要将特定的部分作为周期性结构，建立单位晶胞后方可进行计算。

CASTEP 计算步骤可以概括为三步：首先建立周期性的目标物质的晶体；其次对建立的结构进行优化，这包括体系电子能量的最小化和几何结构稳定化。

最后是计算要求的性质，如电子密度分布(Electron density distribution)，能带结构(Band structure)、状态密度分布(Densityof states)、声子能谱(Phonon spectrum)、声子状态密度分布(DOS of phonon)，轨道群分布(Orbitalpopulations)以及光学性质(Optical properties)等。

本文主要将就各个步骤中的计算原理进行阐述，并结合作者对计算实践经验，在文章最后给出了几个计算事例，以备参考。

CASTEP 计算总体上是基于DFT ，但实现运算具体理论有：离子实与价电子之间相互作用采用赝势来表示；超晶胞的周期性边界条件；平面波基组描述体系电子波函数；广泛采用快速fast Fourier transform (FFT) 对体系哈密顿量进行数值化计算；体系电子自恰能量最小化采用迭带计算的方式；采用最普遍使用的交换-相关泛函实现DFT 的计算，泛函含概了精确形式和屏蔽形式。

一， CASTEP 中周期性结构计算优点与MS 中其他计算包不同，非周期性结构在CASTEP 中不能进行计算。

将晶面或非周期性结构置于一个有限长度空间方盒中，按照周期性结构来处理，周期性空间方盒形状没有限制。

之所以采用周期性结构原因在于：依据Bloch 定理，周期性结构中每个电子波函数可以表示为一个波函数与晶体周期部分乘积的形式。

他们可以用以晶体倒易点阵矢量为波矢一系列分离平面波函数来展开。

这样每个电子波函数就是平面波和，但最主要的是可以极大简化Kohn-Sham 方程。

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。

CASTEP教程

•
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：
Add按钮。关闭对话框。
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。我们可以把显示方式变为Ball and Stick。
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。
• 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。
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。

CASTEP概述

单击此图标，然后可旋转晶格，显示其立体结构。

从菜单栏中选择Build | Add Atoms。通过它，我们可以把原子添加到指定的位置，其对话框如下：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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）。
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。
* 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。

Castep模块快速入门教程

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。

本指南运行的几何优化任务需要耗费巨大的计算时间。

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 Å.。

第一步是建立晶格。

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 5.662。

点击 Build 按钮。

一个空白的 3D 格子显示在 3D Atomistic 文件里。

现在可以添加原子。

选择菜单栏里的 Build | Add Atoms。

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 标签栏。

确认坐标系统设置为 Fractional。

选择 Atoms 标签栏。

CASTEP模块计算电子态密度DOS

CASTEP模块计算电子态密度DOSCASTEP (Cambridge Sequential Total Energy Package)是一种计算材料电子结构的软件模块，它可以用来计算电子态密度（Density of States，DOS）。

DOS是描述材料中电子能级分布的物理量，它反映了材料的能带结构、导电性质等重要信息。

在CASTEP中，计算DOS需要进行如下步骤：准备输入文件、运行计算、后处理结果。

首先，准备输入文件。

CASTEP使用文本输入文件来描述计算的各种参数和设置。

主要的输入参数有晶体结构、波函数基组、赝势、k点网格等。

晶体结构可以从实验数据或者其他计算软件的输出中得到，通常以.xyz、cif等格式进行描述。

波函数基组和赝势是用来描述电子波函数的数学函数形式，影响到计算结果的精度和计算速度。

k点网格是用来对布里渊区（Brillouin Zone）进行积分的离散点集，也会影响计算结果的精度和计算速度。

然后，运行计算。

将准备好的输入文件，通过CASTEP中的计算界面或者命令行工具提交到计算机集群进行计算。

CASTEP采用第一性原理计算方法，通过解析薛定谔方程得到材料的自洽电子结构。

计算的中间结果包括单个能带的电子能级和对应的态密度。

最后，进行后处理结果。

CASTEP计算得到的结果保存在输出文件中，可以通过查看输出文件来得到DOS相关的信息。

输出文件包括电子能级、能带结构、态密度等结果。

态密度可以通过对电子能级进行充分采样并平滑处理得到。

通常，DOS图可以用能量作为横坐标，态密度作为纵坐标进行绘制。

利用CASTEP计算DOS可以获得材料电子结构的直观理解。

DOS图中的峰值和谷值对应着材料中的能带结构和能量能隙。

DOS图可以展示材料的导体、绝缘体或半导体特性，并对材料的导电性质、磁性质等提供重要信息。

此外，DOS图还可以与实验测量数据进行对比，验证材料的理论预测。

总之，CASTEP模块可以用于计算材料的电子态密度（DOS）。

Castep软件基础理论知识

E xc ρ ρ r ε xc ρ r dr ,
在这里 ε xc ρ 是在均匀电子气中的单粒子交换相关能，（ρ是粒子数）。一般自旋密度泛函交换相关势的最简单形式是由 Slater(1951) 获得的，这种势简单地利用了
ε xc ρ ρ 3 关系。在这个近似里，相关性没有被包括进去。更加成熟的近似使
E xc ρ , d( ρ ) 对于研究分子热化学过程是必须的，这一点在过去几年中已有了 dr
详细的记载（见 Ziegler,1991; Labanowski 和 Andzelm,1991; Politzer 和 Seminario,1995 的论述）。一般使用的 NLSD 泛函包括针对相关泛函的 Perdew 和 Wang(PW)推广梯度近似；Beche(B)的梯度修正交换泛函。还有 Lee,Yang,和 Parr(LYP)的梯度修正相关泛函也是常使用的。总能表达式现在总能可以写成： Eq.DFT-8
西安交大周朝晖
Castep 软件中的理论知识
下面的主题提供了 Castep 软件相关理论的具体细节。 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ ⑪ ⑫ ⑬ ⑭ ⑮ 密度泛函理论(DFT)概述。 Castep 软件中的密度泛函理论。赝势。平面波基组。布里渊区采样。自洽的电子的求最小值。几何优化。动力学。 Mulliken 布居分析。态密度和部分态密度。光学性质。弹性模量常数。热动力学计算。线性响应。声子。
-6
西安交大周朝晖
Hale Waihona Puke H (r i )H eff (r i ) (r i ) w(r i )
i
分别在 DMol3 和 CASTEP 的一些章节中，可以获得计算这个积分的数值积分过程的其他信息。

第一原理计算方法及MaterialsStudio中Castep使用

第一原理常用计算软件
根据对势函数及内层电子的处理方法不同主要分为两大类，一种是波函数中包含了高能态和内层电子，而势函数只是原子核的贡献，这称为全电子（all electron calculation）法，另一种处理方法是势函数为原子核和内层电子联合产生的势，称为离子赝势，波函数只是高能态电子的函数，这称为赝势（pseudo-potential）法。
b. Born-Oppenheimer近似，核固定近似中子/质子的质量是电子质量的约1835倍，即电子的运动速率比核的运动速率要高3个数量级，因此可以实现电子运动方程和核运动方程的近似脱耦。这样，电子可以看作是在一组准静态原子核的平均势场下运动。
c.单电子近似把体系中的电子运动看成是每个电子在其余电子的平均势场作用中运动，从而把多电子的薛定谔方程简化单电子方程。
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，也可从已经存在的结构文档中引入，还可修正已存在的结构。
注意： CASTEP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。
Pseudo
Pseudo
Pseudo, PAW all-electron
操作系统
Linux
Web Site
www.abinit. org
Windows Linux
Linux
www.tcm.ph / castep/
www.pwscf.o rg/
Linux Linux
cms.mpi.un ivie.ac.at/v asp

CASTEP概述

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晶胞，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个原子的晶胞是相对应的. 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。
1.
构建AlAs的晶体结构
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 1/4 1/4）
（1/4 3/4 1/4）
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。

关于CASTEP

关于CASTEP关于CASTEPCASTEP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， CASTEP也可⽤于研究体系的电荷密度和波函数的3D形式。

此外， CASTEP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CASTEP选项允许准备，启动，分析和监测CASTEP 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CASTEP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。

CASTEP的任务CASTEP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CASTEP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： CASTEP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： CASTEP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。

Dmol、Castep的基本原理和参数设置

Tips：对于空体积较大的晶体，使用DMol3的效率要高于Castep
在DMol3模块中，电子密度实际上由各个原子轨道的平方和来确定：
在这里，电子密度实际上是由所有占据的分子轨道φi.来决定。分子轨道可能由上自旋电子(Alpha电子)和下自旋电子(Beta电子)占据。当Alpha电子和 Beta电子的数目相等的时候，我们可以用单一的分子轨道φi.来进行表述，这类体系称为闭壳层体系(Closed-shell)，在DMol3中不需要选中Spin restricted前面的选项。当Alpha电子和Beta电子的数目不相等的时候，我们将会使用不同的φi.来表述Alpha电子和Beta电子，这类体系称之为开壳层体系(Openedshell)或者自t旋o t极a a l化lp 。 hba 在etDaMol3计算的时候需要选中Spin restricted的选项，并指定自旋数目。
精品castep的参数设置electronicmorebasis基组的相关参数设置动能截断值的设定fft格子设定基组的测试finitebasiscorrectionscf自洽计算的相关参数设置potential选择赝势精品castep的参数设置electronicmorebasis基组的相关参数设置scf自洽计算的相关参数设置收敛精度的具体设定自洽计算允许的步数densitymixing轨道占据数初始自旋值的优化potential选择赝势精品densitymixingdensitymixing参数控制体系中如何根据特征方程来如何构造新的电子密度
在开壳层体系中，会有两个不同的电子密度：一个是Alpha电子的电子密度，一个是Beta电子的电子密度。它们的和就是整个体系的总电荷，它们的差就是自旋密度。
spin alph ba eta

CASTEP 软件介绍

第三章 CASTEP软件介绍CASTEP是专为固体材料科学设计的当前最高水平的量子力学软件包之一，其采用的方法为密度泛函平面波赝势方法，可以对一些物质，如：半导体、陶瓷、金属和矿石等的晶体及其表面特性作第一性原理计算模拟。

CASTEP可以用来研究一个系统的表面化学、结构特性、带结构、态密度、光学特性、电荷密度的空间分布及其波函数。

另外，CASTEP可以用来计算晶体的弹性常数及相关的力学特性，如：泊松比、体模量和杨氏模量等。

CASTEP还可以用来计算半导体或其它材料中的点缺陷（空位、杂质原子取代和间隙）和扩展缺陷（晶粒界面和断层）。

使用线性响应理论，CASTEP还可以计算固体的振动特性（声子的色散关系、声子的态密度和相关的热学特性）。

所有用CASTEP计算得到的结果都有非常重要的应用，如可以用来研究表面吸附物的振动特性，解释实验得到的中子光谱或振动谱以及研究在高温高压下相的稳定性。

通过线性响应理论方法，CASTEP还可以计算对外加电场的响应：分子的极化率和固体的电容率。

下面就CASTEP所采用的一些独特方法作一些说明，并对其使用方法作一简要介绍。

3.1 CASTEP所采用的一些方法一、超原胞方法CASTEP软件是采取超原胞模型的，计算必须在一个周期系统中执行，即使图3-1，研究表面分子吸附的单包（左）和研究点缺陷的单包（右）。

周期性是虚构的，如表面周期系统。

表面被认为是有限长度的层。

例如研究表面的分子吸附就要假设它们在一个“盒子”里面成为周期体系，层与层之间用足够厚度的真空层隔离以忽略在相邻盒子内原子间的相互作用，如图3-1（a）所示；再如，在块体点缺陷研究中使用超原胞，认为它是可以在三维方向无限拓展，如图3-1（b）所示。

超原胞是没有外形的限制，假如这个晶体具有高点群的对称性，则它也可以用来加速计算。

二、自洽电子弛豫方法CASTEP 提供了好几种电子结构弛豫方法，预设的方法是最有效的，它是基于密度混合的方法。

CASTEP计算理论总结+实例分析

CASTEP 计算理论总结XBAPRSCASTEP 特点是适合于计算周期性结构，对于非周期性结构一般要将特定的部分作为周期性结构，建立单位晶胞后方可进行计算。

CASTEP 计算步骤可以概括为三步：首先建立周期性的目标物质的晶体；其次对建立的结构进行优化，这包括体系电子能量的最小化和几何结构稳定化。

最后是计算要求的性质，如电子密度分布(Electron density distribution)，能带结构(Band structure)、状态密度分布(Densityof states)、声子能谱(Phonon spectrum)、声子状态密度分布(DOS of phonon)，轨道群分布(Orbitalpopulations)以及光学性质(Optical properties)等。

本文主要将就各个步骤中的计算原理进行阐述，并结合作者对计算实践经验，在文章最后给出了几个计算事例，以备参考。

CASTEP 计算总体上是基于DFT ，但实现运算具体理论有：离子实与价电子之间相互作用采用赝势来表示；超晶胞的周期性边界条件；平面波基组描述体系电子波函数；广泛采用快速fast Fourier transform (FFT) 对体系哈密顿量进行数值化计算；体系电子自恰能量最小化采用迭带计算的方式；采用最普遍使用的交换-相关泛函实现DFT 的计算，泛函含概了精确形式和屏蔽形式。

一， CASTEP 中周期性结构计算优点与MS 中其他计算包不同，非周期性结构在CASTEP 中不能进行计算。

将晶面或非周期性结构置于一个有限长度空间方盒中，按照周期性结构来处理，周期性空间方盒形状没有限制。

之所以采用周期性结构原因在于：依据Bloch 定理，周期性结构中每个电子波函数可以表示为一个波函数与晶体周期部分乘积的形式。

他们可以用以晶体倒易点阵矢量为波矢一系列分离平面波函数来展开。

这样每个电子波函数就是平面波和，但最主要的是可以极大简化Kohn-Sham 方程。

CASTEP模块计算表面上的吸附能

注意保存计算结果
创建表面分为两个步骤。第一步是劈开表面，第二步是创建一个包含表面的真空板。从菜单栏中选择Build | Surfaces | Cleave Surface。
把the Cleave plane (h k l)从（-1 0 0）改为（1 1 0），然后按下 TAB键。把Fractional Thickness增加到1.5，按下Cleave按钮，关闭对话框。注意，表面平行于z轴，后面要改。
在左侧的Properties中选择Lattice 3D，从中可以看到优化后的晶格参数大约为3.95 Å，其而其实验值为3.89 Å。
现在我们应该进行下一步操作，构造CO分子。
3．构造和优化CO
CASTEP只能处理周期性的体系。为了能够优化CO分子的几何结构，我们必需把它放入晶格点阵中。
在Project Explorer中，右键单击文件夹 CO molecule，选择 New | 3D Atomistic Document。在3D Atomistic Document.xsd上右键单击，选中Rename。键入CO，按下RETURN键，建立CO.xsd文件。
按下Build按钮。在3D模型文档中显示出一个空单元。
CO分子中C-O键的键长实验值是1.1283 Å 。通过笛卡儿坐标系来添加原子，我们可以精确的创建此种键长的CO分子。
从菜单栏选择Build | Add Atoms，或单击图标对话框。
打开Add Atoms
在Add Atoms对话框中，选择 Options标签，确定Coordinate system 为Cartesian。
CASTEP模块计算表面上的吸附能
CO吸附在Pd（110）面
目的：介绍用CASTEP如何计属表面上的吸附能。模块：CASTEP，Materials Visualizer 背景知识：Pd的表面在许多催化反应中都起着非常重要的作用。理解催化反应首先是弄清楚分子是如何与这样的表面相结合的。在本篇文章中，通过提出下列问题，DFT（密度泛函）模拟有助于我们的理解：分子趋向于吸附在哪里？可以有多少分子吸附在表面？吸附能是什么？它们的结构像什么？吸附的机制是什么？

Castep的基本原理和参数设置

NB est. 0K energy (E-0.5TS)
= -703.3442797001
eV
初始的情况
采用Smearing后
初始的情况
采用Smearing后
CASTEP的参数设置 ELECTRONIC------MORE

Basis ——基组的相关参数设置 SCF ——自洽计算的相关参数设置 k-points 设定k-mesh的大小 Potential ——选择赝势
The DIIS method assumes that a good approximation to the final solution pf can be obtained as a linear combination of the previous guess vectors
where m is the number of previous vectors (in practice, only the most recent few vectors are used). The coefficients ci are obtained by requiring that the associated residual vector
CASTEP的参数设置 PROPERTIES
• Core level spectroscopy ——On the fly generated Pseudopotential
CASTEP的参数设置 JOB CONTROL
有效的控制计算时间
CASTEP的参数设置 ELECTRONIC------MORE

Basis ——基组的相关参数设置 SCF ——自洽计算的相关参数设置 k-points Potential ——选择赝势 *.usp, *p, *.uspcc, *pcc *.recpot *.otfg

利用CASTEP模拟计算实例1

利用CASTEP模拟计算实例一，计算本征半导体硅的能带结构和状态密度等性质计算过程分为三个步骤：首先是建立硅的晶体结构计算模型，这个可以在MS物质结构数据库中调用即可。

在计算时为了节省时间，减少计算量将硅的普通的晶体转化为原胞结构，一个原胞中包含9个原子。

节下来是对晶体原胞结构进行几何结构优化，当然其中也含盖了对体系总能量的最小化。

结构优化过程中的两个图表文档分别表示了优化步骤中体系能量的变化和收敛精度，判断收敛是否成功就要查看最终完成计算后，能量的收敛精度是否达到了事前的设定值。

最后是计算性质，在计算状态密度时可以计算不同原子各个轨道按照角动量分布的偏态密度（PDOS），当体系是自旋极化时，偏态密度（PDOS）中包含了体系多数自旋(majority spin)和少数自旋(minority spin)的偏态密度（PDOS）。

光学性质的计算是模拟中的一个难点，从目前发表的文献来看，影响光学性质计算的因素很多（见光学计算原理部分，对此有详细描述），在研究体系有充足实验数据的条件下，可以对能带采用“剪刀”的工具对能带带隙进行刚性的调整，获得与实验结果符合较好的结论。

但对于初学者而言，这个工具一般是不推荐使用的。

作者对于硅的计算完全按照上述方案完成。

详细的计算结果和计算方法见本文所附带的专门文章。

二，搀杂半导体InP性质计算第三主族和第五主族元素之间形成的半导体，目前越来越受到的重视，在纳米材料中，各种纳米电子器件如场效应晶体管，半导体纳米量子阱，纳米量子点激光器等均广泛采用了诸如AlAS InP等材料，本文对InP能带结构、状态密度以及光学性质进行了计算。

计算步骤与前文描述相同。

详细结果见文章二。

三，FeS2性质计算二硫化亚铁是一种受到广泛研究的窄带隙的半导体，其能带带隙为0.95eV。

肖奇等人也采用CASTEP 对二硫化亚铁整体状态密度和（100）晶面双层超结构状态密度的计算结果进行了对比，发现了表面态对状态密度峰的分裂。

CASTEP计算理论总结+实例分析

CASTEP 计算理论总结XBAPRSCASTEP 特点就是适合于计算周期性结构,对于非周期性结构一般要将特定的部分作为周期性结构,建立单位晶胞后方可进行计算。

CASTEP 计算步骤可以概括为三步:首先建立周期性的目标物质的晶体;其次对建立的结构进行优化,这包括体系电子能量的最小化与几何结构稳定化。

最后就是计算要求的性质,如电子密度分布(Electron density distribution),能带结构(Band structure)、状态密度分布(Density of states)、声子能谱(Phonon spectrum)、声子状态密度分布(DOS of phonon),轨道群分布(Orbital populations)以及光学性质(Optical properties)等。

本文主要将就各个步骤中的计算原理进行阐述,并结合作者对计算实践经验,在文章最后给出了几个计算事例,以备参考。

CASTEP 计算总体上就是基于DFT,但实现运算具体理论有:离子实与价电子之间相互作用采用赝势来表示;超晶胞的周期性边界条件;平面波基组描述体系电子波函数;广泛采用快速fast Fourier transform (FFT) 对体系哈密顿量进行数值化计算;体系电子自恰能量最小化采用迭带计算的方式;采用最普遍使用的交换-相关泛函实现DFT 的计算,泛函含概了精确形式与屏蔽形式。

一， CASTEP 中周期性结构计算优点与MS 中其她计算包不同,非周期性结构在CASTEP 中不能进行计算。

将晶面或非周期性结构置于一个有限长度空间方盒中,按照周期性结构来处理,周期性空间方盒形状没有限制。

之所以采用周期性结构原因在于:依据Bloch 定理,周期性结构中每个电子波函数可以表示为一个波函数与晶体周期部分乘积的形式。

她们可以用以晶体倒易点阵矢量为波矢一系列分离平面波函数来展开。

这样每个电子波函数就就是平面波与,但最主要的就是可以极大简化Kohn-Sham 方程。