訓練7：-用第一性原理預測AlAs的晶格參數(shù)

訓練7:用第一性原理預測AlAs的晶格參數(shù)

背景：最近在密度泛函理論方法(DFT)應(yīng)用于大周期系統(tǒng)的研究方面的進展在解決材料設(shè)計和加工上變得越來越重要。該理論允許對實驗數(shù)據(jù)進行解釋，測定材料的潛在性質(zhì)等等。這些工具可以被用來指導新材料的設(shè)計，允許研究者了解潛在的化學和物理過程。本指南描繪了CASTEP是如何使用量子力學方法來測定材料的晶體結(jié)構(gòu)，使用者將學會如何構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)，設(shè)定一個CASTEP幾何優(yōu)化任務(wù)，然后分析計算結(jié)果。1.構(gòu)建AlAs晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)，需要了解空間群、晶格參數(shù)和晶體的內(nèi)坐標等知識。對AlAs來說，空間群是F-43m，空間群代號為216。基態(tài)有兩個原子，Al和As的分數(shù)坐標分別為(0,0,0)和(0.25,0.25,0.25)，晶格參數(shù)為5.6622?.。建立晶格:

在ProjectExplorer內(nèi)，右擊根目錄選擇New|3DAtomisticDocument。右擊該文件，將該文件重新命名為AlAs.xsd。從菜單欄里選擇Build|Crystals|BuildCrystal。BuildCrystal對話框顯示出來。點擊Entergroup輸入216，按下TAB按鈕?？臻g群信息更新為F-43m空間群。選擇LatticeParameters標簽欄，把值從10.00變?yōu)?.662。點擊Build按鈕。

一個空白的3D格子顯示在3DAtomistic文件里。添加原子:選擇菜單欄里的Build|AddAtoms。

使用對話框，可以在確定的位置添加原子。

在AddAtoms對話框上，選擇Options標簽欄。選擇Atoms標簽欄。在Element文本框里，輸入Al，然后按下Add按鈕。

鋁原子被添加到結(jié)構(gòu)中

在Element文本框中，輸入As。在a、b和c文本框分別輸入0.25。按下Add按鈕。關(guān)閉此對話框。

原子被添加到結(jié)構(gòu)中，對稱算符被用來建立晶體結(jié)構(gòu)中的剩下的原子。原子也會顯示在相鄰元胞中，這描繪了AlAs結(jié)構(gòu)的化學鍵的拓撲圖像。

將外部原子被移走，并且晶體結(jié)構(gòu)顯示出來?？梢园扬@示模式改為球棍模式。

3DViewer內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)元胞，顯示了晶格的立方對稱性。CASTEP使用晶格的完全對稱性，如果存在的話。這樣，每個元胞包含兩個原子的原始晶格可被用來計算，這與包含了8個原子的傳統(tǒng)晶格不同。電荷密度、鍵長和每個原子的總能量將是一樣的，而不管這個元胞是如何被定義的。在元胞中使用了較少的原子，計算時間將被縮短。右擊結(jié)構(gòu)文件，選擇DisplayStyle。在Atom標簽欄上，選擇Ballandstick選項。模型文件顯示為原始胞。選擇菜單欄里的Build|Symmetry|PrimitiveCell。

2.設(shè)置CASTEP計算任務(wù)選擇工具條中的CASTEP工具，然后選擇Calculation。CASTEP的Calculation對話框顯示為：

對結(jié)構(gòu)進行幾何優(yōu)化把Task改為GeometryOptimization，計算精度設(shè)置為Fine。優(yōu)化的默認設(shè)置是只對原子的坐標進行優(yōu)化。然而，本例中，在對原子坐標進行優(yōu)化的同時也要對晶格進行優(yōu)化。按下與Task相關(guān)的More…按鈕，勾選上OptimizeCell關(guān)閉此對話框。當改變計算精度的時候，其他的參數(shù)也會自動作相應(yīng)的變化。選擇Properties標簽欄。勾選上Bandstructure和Densityofstates。在實時更新的時候，也可以指定工作控制選項選擇JobControl標簽欄，按下More…按鈕。在CASTEPJobControlOptions對話框里，改變Updateinterval為30.0s，關(guān)閉此對話框。按下Run按鈕，關(guān)閉對話框。幾秒鐘后，一個新文件夾出現(xiàn)在ProjectExplorer內(nèi)，該文件夾包含了所有的計算結(jié)果。JobExplorer顯示了所有正在運行的工作的狀態(tài)。它顯示了很多有用的信息，包括服務(wù)器和工作代碼。如果需要，也可以通過此來中止運行工作.在工作運行過程中，四個文件打開了。這些文件包含了晶體結(jié)構(gòu)、在優(yōu)化過程中的模型的更新，包含了工作設(shè)置參數(shù)和運行信息的狀態(tài)文件，以及一個關(guān)于總能量和能量、應(yīng)力、壓力和位移為循環(huán)次數(shù)函數(shù)的圖表。當工作結(jié)束時，文件會被傳回到客戶端，這個視乎文件的大小而所需時間有所不同。3.分析計算結(jié)果當結(jié)果文件被傳輸回來，會得到包含下列的數(shù)個文件：

AlAs.xsd–最后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)

AlAs

Trajectory.xtd-一個軌跡文件，包含了每一步的結(jié)構(gòu)AlAs.castep–包含了優(yōu)化信息的輸出文本文件

AlAs.param–模擬所用輸入?yún)?shù)計算任何一個性質(zhì)，都回產(chǎn)生.param和.castep文件。在AlAs結(jié)構(gòu)中，因?qū)ΨQ性應(yīng)力為0，但是壓力的大小取決于晶格參數(shù)。這樣，CASTEP就會努力去最小化系統(tǒng)的總能量和壓力。因此，為保證計算能夠合適地完成，選上壓力收斂是非常重要的。在ProjectExplorer內(nèi)，點擊AlAs.castep為當前工作文件。選擇菜單欄里的Edit|Find...，輸入“completedsuccessfully”，按下FindNext按鈕?？吹揭粋€含有兩行的表格，最后一列的每一行都顯示為Yes，這表明計算成功地結(jié)束。4.與實驗數(shù)據(jù)對比從開始時創(chuàng)建晶胞，就知道晶格長度為5.6622?。因此，可以把最小化后的晶格長度與初始的實驗數(shù)據(jù)相比較。實驗晶格長度是基于傳統(tǒng)胞，而不是原始胞，因此需要加以轉(zhuǎn)換。

雙擊AlAs.xsd使其為當前工作文件。從菜單欄里選擇Build|Symmetry|ConventionalCell。傳統(tǒng)胞顯示出來。有數(shù)種方法看到晶格長度，最簡單的一種就是打開LatticeParameters對話框。右擊模型文件，選擇LatticeParameters。繼續(xù)之前，需要保存工作，并關(guān)閉所有窗口。選擇菜單欄上的File|SaveProject，然后是Window|CloseAll。

5.可視化電荷密度可以用CASTEP分析工具得到電荷密度。從菜單欄里選擇CASTEP，然后選擇Analysis。選擇Electrondensity選項。有消息說沒有什么結(jié)果文件，所有需要指定結(jié)果文件。在ProjectExplorer內(nèi)，雙擊AlAs.castep。這將把結(jié)果文件和分析對話框關(guān)聯(lián)起來；但是還需要指定一個3D文件來顯示等密度面。在ProjectExplorer內(nèi)，雙擊優(yōu)化后的AlAs.xsd文件。選擇菜單欄里的Build|Symmetry|PrimitiveCell。CASTEPAnalysis對話框上的Import按鈕現(xiàn)在是激活狀態(tài)。按下Import按鈕。等密度面疊加在結(jié)構(gòu)上：

可以通過DisplayStyle對話框來改變等密度面的設(shè)置。右擊該3D文件，選擇DisplayStyle，選擇Isosurface標簽欄。Isosurface標簽顯示：這里可以改變不同的設(shè)置。在Iso-value文本框里，輸入0.1，然后按TAB鍵。

注意等密度面是如何改變的。把Transparency滑條向右移動。向右移動Transparency滑條的時候，等密度面變得越來越透明。在文件上移動鼠標，滾動模型。當模型滾動的實戶，等密度面變成點狀顯示以提高滾動速度。通過DisplayStyle對話框可以移走等密度面。取消選擇Visible選項，關(guān)閉DisplayStyle對話框?？梢栽谌魏螘r候通過勾選上Isosurface

來顯示等密度面。6.態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)圖表顯示了在布里淵區(qū)沿著高對稱性方向電子能量對k矢的依賴性。這些圖標提供了一個對材料的電子結(jié)構(gòu)進行定性分析的非常有用的工具。舉例來說，很容易就可以確定d和f態(tài)的窄帶，這與類似于自由電子能帶的s和p電子正好相反。

DOS和PDOS圖表給出了材料的電子結(jié)構(gòu)的一個快速定性圖像，有時候它們可以直接和實驗光譜結(jié)果相關(guān)聯(lián)。