3.第一性原理计算软件的使用

晶体结构驰豫
在“Stress”选项卡上，可以
设定晶体受到的应力，可以 计算晶体在高压下的性能。 应力可以设定为3x3的张量， 也可以是等静压。 其他设定与基态能量设定相 同。在计算时选进行结构优 化，达到最佳晶体结构后， 就可以接着计算电子结构和 物理性能。
结构优化收敛过程
3 计算结果分析
计算结束后，就要对得
到的大量数据进行分析， 得到有用的结论。 下面将演示如何从第一 性原理计算得到的大量 数据中得到我们需要的 结果。 Material Studio中的 Visualizer提供了处理大 部分第一性原理计算的 方法。 右图为BaTiO3结构优化 完成后的界面。
主输出文件
电子密度分布
在“CASTEP analysis”对话框中选取“Electron density”，然后点击Import按
钮后，就可以通过“Volume Visulization”工具条观察电子密度的分布了。
调整Display Style对话框中的isovalue选项卡中的isovalue值，就可以看到等高
上，可以设定基组的能量截断值， 也即基组的大小。 可以设定FFT变换的网格的密度。 设定基组修正的方法。
在SCF选项卡上，可以设定SCF计
算的收敛判据，如能量变化量， 循环次数；
还可以设定电荷密度混合的参数
和方法。点击“More”按钮有更 多的选项。
基态能量与电子结构的计算
在K-points选项卡上，可以设定
基态能量与电子结构的计算
下面以ZnO为例，显示基态能量计算的方法，以及得 到的电子结构和物理性质的结果。计算步骤如下： 1. 导入模型：从CASTEP提供的原子结构中导入ZnO 的原子结构文件，如图所示。
基态能量与电子结构的计算
2. 设置计算参数：按CASTEP模块下的Calculation选项， 弹出计算条件设置对话框。 在Setup选项卡上： • 在Task下拉框中选择Energy， 表示计算基态能量； • 在Quality下拉框中选择Ultrafine，代表高精度的计算； • 在Functional下拉框中选择交 换关联函数，现在选取GGA 和PBE； • 因为ZnO是不带电的非磁性 的绝缘体，下面的几个复选 框可以不选。
自治计算收敛情况
晶体结构驰豫
晶体结构豫是第一性原理计算中
经常需要进行的计算，目的在于 找到能量最低的基态。 要进行晶体结构的驰豫，在 “CASTEP Calculation”对话框的 “Setup”选项卡上的“Task” 下拉框中选取“Geometry Optimization”。 点击“More”按钮后，出现几 何结构优化参数的具体设定对话 框，共有三个选项卡Minimizer, Options和Stress。
基态能量与电子结构的计算
点击“Density of States”之后，
出现态密度计算的选项，可以 选到计算PDOS。 点击“More”按钮后，可以进 一步设定K点的取值，或者指 定交换关联函数。 点击“Optical Properties”后， 可以计算光学性质，各种选项 的与态密度计算相同。
光导率
Loss Function
热力学性质-德拜温度
作业
选取一种金属材料（如铜，铝等），一种绝缘体材
料，分别用利用第一性原理计算其DOS分布图和能 带结构图，说明金属和绝缘体的区别。
主输出文件
开始结构优化的大循环，每个循环步聚中都要计算
电子结构的自治计算，得到基态能量和应力张量。 调整晶体中原子的位置和晶格常数。 根据得到的能量变化和应力张量，调整晶体中原子 的位置和晶格常数。 当满足收敛条件时，结构优化结束，得到优化的晶 格常数，原子位置。 对于BaTiO3，晶格常数从4.01000变到4.00636 ，原 子在晶胞中的相对位置受到对称性的限制没有变化。
K点的选取参数，只计算 Gamma点，由Quality等级自动 给出，指定间隙，或直接指定 网格的数量。还可以设定原点 的漂移。 在Potential选项卡上，可以选择 赝势参数。赝势的类型有二种： Norm-Conserving和Ultrasoft。势 的表象可以在实空间（real 空 间），也可以在倒易空间 （Reciprocal space）。
基态能量与电子结构的计算
在Electrtonic选项卡上，大部分的参数由前面的选择
自动给出，可以不改。具体的可以按“More”按钮 进行进一步设定。 电子结构计算的设定共有四个选项卡，分别为Basis， SCF，K-point和Potential。
基态能量与电子结构的计算
电子结构计算设定的Basis选项卡
Material Studio的主界面是一种典型的图形化界面，包


括菜单栏，工具栏，主窗口，项目(Project)窗口，属性 (Properties)窗口和作业调度(Jobs)窗口。 工具栏中的工具条的数量可以通过View菜单来调整， 工具条的位置可以通过工具条来拖放；对当前窗口不起 作业的工具条呈灰色状态。 除了主窗口外的三个窗口也可以通过View菜单来显示 和隐藏。 项目窗口管理第一性原理计算的所有文件，包括原子模 型，计算条件设定，计算结果等。 属性窗口可用来显示和修改当前窗口中对象的属性。 作业调度窗口显示正在进行的计算作业的状态，可以用 来中断提交的计算。
Material Studio的界面
主窗口是一个多文档窗口，可以容纳其他各种窗口，如
原子结构窗口，各种图表窗口，文本窗口等。
各种不同类型的窗口激活不同的工具条，而激活的工具
条可以对窗口进行操作。 属性菜单显激活窗口中选中元素的属性。可以显示属性 值，也可以进行修改 可以用Window菜单对主窗口进行操作，如各种排列方 式，图标化显示，关闭窗口等。
晶体结构驰豫
在“Minimizer”选项卡上，可
Biblioteka Baidu

以设定几何优化的收敛条件， 可以按等级自动给出，也可以 指定具体数值。 缺省的最大迭代数是100，可以 根据需要进行修改。 可以设定是否要优化晶格参数。 在晶胞可变时有二种基组大小 设定的方法：固定基组大小或 固定基组品质。 在“Options”选项卡上，可以 选取算法，CASTEP中只有二种 算法可选：BFGS和DampedDM。
面的变化，也可以看剖面上的密度分布，详见实际演示。
DOS/PDOS分布图
Ti原子
DOS/PDOS分布图
Ba原子
DOS/PDOS分布图
氧原子
DOS/PDOS分布图
Total DOS
能带结构
可以得到能带结构图。带隙
1.88eV。直接带隙。 比实验值小，是DFT的固有缺 点。
主输出文件
Hirshfeld Analysis（原子电荷分析） Species Ion Hirshfeld Charge (e) ================================ O 1 -0.31 O 2 -0.31 O 3 -0.31 Ti 1 0.53 Ba 1 0.40 ================================== 另一种原子电荷的分析方法得到的结果。在晶体中几乎 没有一种方法能够得到名誉上的电荷数。
Material Studio的界面
File菜单用来进行项目管理，包括新建，打开和保存项



目和窗口，导入、导出原子结构模型和其他文件。 View菜单用来调整界面上工具条和窗口的显示和隐藏， 可以根据需要进行调整。 Modify可以用来调整个原子结构，如修改原子，成键， 化学键杂化状态，调整电荷和电子态，设定原子运动的 约束条件。 Build菜单可用来构建原子结构模型，调整晶体结构的 对称性等。 Tool菜单提供了一些常用的小工具，帮助处理计算中的 一些问题。 Module列出了Material Studio中所有的模块，以及对他 们的操作。
CASTEP模块计算的主输出文件是<名称>.castep，其中
的<名称>是原子结构模型的名称，记录了计算的全部 过程，包括出错信息。 <名称>.castep首先列出了用于计算的所有参数，包括人 工设定的和系统默认的，然后列出了体系的晶格参数， 原子种类，采用的赝势，原子坐标等。 列出计算中用到的K点，然后是对称性分析有约束条件。 通过三个不同的截断能量计算得到的基态能量值，估算 基组引起的修正值。
基态能量与电子结构的计算
可以计算极化率、红外与Raman谱。，系统类型可
以是晶体、分子。如左下图所示。 也可以计算占据数，可以计算每个能带的占据数。
基态能量与电子结构的计算
在“Job Controal”选项卡上，可以设置作业如何在服务
器上运行。 “Gateway location”是指在哪台计算机上运行，在本机 上运行就选“My Computer”。 “Run in parallel on”是指要用几个进程来进行计算。双 核超线程的计算机上可以选4个进程。
在原子结构窗口，按住鼠标左键用于选取原子结构图中
的单元，如原子，键等，按住鼠标右键拖动可以对模型 进行旋转，以便更好地观察。 可以用测量工具测量原子结构中的原子间距，夹角，扭 角等。
Material Studio的界面
主窗口中三种窗口： 原子结构窗口 K空间窗口，显 示了与原子结构 对应的K空间的 单胞和计算能带 结构的路径。 CASTEP计算的 主输出文件，列 出了计算参数， 计算过程，大部 分的算结果。
计算材料学
3.第一性原理计算软件的使用 2013年8月30日
本课提纲
本节课将以Material Studio中的CASTEP模块为例，向同 学位介绍第一性原理的使用方法。
Material Studio的界面
基态能量与电子结构的计算 晶体结构驰豫 计算结果分析
1. Material Studio的界面1
基态能量与电子结构的计算
Properties选项卡用来选取在第一性原理的计算中要计
算的物理量。每几物理量还有对应的参数可以选择。
点击“Band Structure”后，下
面出现能带计算的参数，如空 带数量，K点网格。 点击“More”按钮后出现更 细的选项，如指定交换关联函 数，和设定K点路径。 点击“Path”按钮，就可以得 到在布里渊区路径的对话框。 可以增加或减少能带结构的路 径。
主输出文件
Atomic Populations (Mulliken) Species Ion s p d f Total Charge (e) ========================================= O 1 1.84 4.90 0.00 0.00 6.74 -0.74 O 2 1.84 4.90 0.00 0.00 6.74 -0.74 O 3 1.84 4.90 0.00 0.00 6.74 -0.74 Ti 1 2.35 6.58 2.12 0.00 11.04 0.96 Ba 1 2.07 5.98 0.69 0.00 8.74 1.26 ========================================= 在晶体中，因为没有明确的边界，每个原子的电荷数是 没有很好定义，不同的方法得到不同的数值。
光学性质
通过第一性原理计算得到电子结
构后，可以计算物质的光学性质， 包括介电常数，反射率，吸收率， 折射率，光导率，和Loss Function。 可以计算偏振光，非偏振光，和 多晶体的光学性质。 偏振光需要给出偏振方向，非偏 振光需要给出入射方向。
介电常数
反射率
吸收系数
折射率