MaterialsStudio的模块
【Materials_Studio】Castep说明
你的 CASTEP run 一跑完，你就可以使用 CASTEP 模組的分析工具來抽取及檢視 由 CASTEP 所產生的原始輸出資料。這原始輸出結果藉由大量的數據來描述你 模型的性質。
動態使用介面
雖然機制羯大部份是明顯的，Cerius2 透過由使用者介面建立的好幾個 CASTEP 輸出輸入的資料檔來與 CASTEP 產生聯繫。你所要執行的 job 上設定的選項會被 用來產生一個檔案，此檔案會被傳送到 CASTEP 做為輸入。
膺勢
電子-離子間的交互作用可以用膺勢的觀念來描述。對於每種元素而言,CASTEP 提供了一套的的位勢：
位勢 延伸檔名
ultrasoft .usp
norm-conserving potential 使用 Lin et al.最佳化方法來產生 .recpot
norm-conserving potential 使用 Troullier-Martins 最佳化方法來產生 .pspnc
在 CASTEP 裡預設的設定是 GGA，它在很多狀況下被知道是比較好的方法。梯 度修正的方法在研究表面的過程、小分子的性質、氫鍵晶體以及有內部空間的晶 體（費時）是比較精確的。眾所皆知，LDA 會低估分子的鍵長（or 鍵能）以及 晶體的晶格參數，而 GGA 通常會補救這缺點。然而，有許多證據顯示 GGA 會 在離子晶體過度修正 LDA 結果；當 LDA 與實驗符合得非常好的時候，GGA 會 高估晶格長度。因此要推薦一個對所有系統都是最好的特定方法是很困難的。
Materials Studio的模块
Materials Studio的模块Materials Studio是一个全尺度材料模拟平台。
平台以可视化视窗界面Materials visualizer为核心，在其上共整合了24个功能模块，囊括了量子力学方法、经典模拟方法、介观模拟方法、有限元模拟等各种常见分子模拟方法，以及晶体结构解析、晶体形貌预测、定量构效关系分析等实用工具，实现了从电子结构解析到宏观性能预测的跨尺度研究。
Materials visualizerMaterials visualizer是Materials Studio的图形化界面，也是整个平台的核心。
Materials visualizer的功能包括：●搭建、调整各类三维可视的结构模型，包括晶体、小分子、聚合物、纳米材料、团簇、表界面以及各种缺陷结构；●提供模块参数设置、结果分析的视窗界面；提供结构文件、参数文件以及结果文件的管理界面；提供计算进程的监控界面；●对模拟结果进行各种分析，可与结构模型相结合进行数据的二维、三维显示，可以给出数据的图表，可以对特定的结果进行动画演示或给出矢量图；Materials visualizer的特性包括：●支持多种结构、图形、文本文件格式的输入和输出；●支持不同功能模块间结构数据的共享；●提供Perl语言环境，以及脚本编译工具；●提供不规则多面体表面积、体积的计算工具。
量子力学方法量子力学方法（Quantum Mechanics）是一种能够对材料体系电子结构特点进行解析的方法，精度高且几乎不依赖于任何经验参数，因此被广泛应用在各类材料的模拟研究中。
半经验量子力学方法（Semi-empirical Quantum Mechanics）同样能够对材料体系电子结构特点进行解析，但是包含有更多的经验参数以及数学、物理近似，因此，计算效率相比于纯粹的量子力学更高，但是精度会略低。
量子力学以及半经验量子力学方法均以定态薛定谔方程为核心，计算原子核满足特定排列、堆积时，核外电子的空间、能量分布，并由此进一步得到体系的电学性质、磁学性质、光学性质、热力学性质、力学性质，所能研究的材料体系类型包括：各类晶体材料及可能的各种缺陷结构，各种维度的纳米材料，各种分子及团簇材料。
软件天地丨MaterialsStudio，具有超超超强的模拟设计能力
软件天地丨MaterialsStudio，具有超超超强的模拟设计能力对于一直坚持“以市场为导向、以品质为追求、以服务为根本、以技术为支撑”，打造成为技术先进、功能齐全、服务一流的国际化超算中心来说，不断提高科技能力，引进创新技术是中心向世界一流品牌迈进的可见性动作。
因此，自深圳超算中心创立以来，为了给广大用户提供更完美的技术服务，我中心陆续引进了一系列全新的高性能计算软件，为高性能计算注入强大的能量源，最终达成价值最大化的效果。
今天，我们首先要认识的是这个软件—Materials Studio，是美国Accelrys公司专门为材料科学领域研究者所设计的一款可运行在PC 上以及超级计算机上的超强材料模拟软件。
Materials Studio软件提供了界面友好的模拟环境，研究者可对各种小分子、纳米团簇、晶体、非晶体以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究。
软件采用的是先进的模拟计算思想和方法，如量子力学、线性标度量子力学、分子力学等先进的算法和分析方法。
用户通过利用Materials Studio软件科学的研究和先进的计算方法，得到切实可靠的数据，并能够方便地建立三维分子模型，深入的分析有机、无机晶体、无定形材料以及聚合物。
Materials Studio软件可构建和表征无定型或晶态高分子模型，预测包括共混行为、力学行为、高分子和简单流体的相共存、透性、密度、粘附和介观结构等在内的重要性质。
对于评估某种特定高分子对特定用途的适用性或者将所需性质设计到新的高分子材料中，这些工具就显得非常有用了。
深圳超算看中的是Material Studio多种先进的算法能够综合运用从而化身为一个强有力的模拟工具，能让超算中心客户体验到高科技技术，不管是性质预测、聚合物建模还是X射线衍射模拟，都可以通过一些简单易学的操作来得到切实可靠的数据，帮助客户解决当今科学研究上一系列重要问题。
Material Studio软件支持Windows和Linux操作平台，深圳超算的客户能够根据自己的研究情况，选择合适的模块进行计算，以满足特定领域研究需求。
materials studio操作手册
：【序】介绍众所周知，材料工程是一门非常重要的学科，它研究的对象是材料的性能、制备、加工和应用。
一直以来，科学家们致力于寻找更好的材料，并开发出各种工具来帮助他们更好地理解和研究材料。
在材料研究领域中，Materials Studio（材料工作室）无疑是一个非常重要的软件工具，它能够帮助研究人员进行材料建模、仿真和分析，以更好地理解材料的性能和行为。
【一】Materials Studio的基本概念让我们来介绍一下Materials Studio的基本概念。
Materials Studio 是由Accelrys公司开发的一款集成的材料建模软件评台，它包括多个模块，可以用于原子建模、晶体学分析、分子建模、材料性能预测和材料工程等领域。
使用Materials Studio，研究人员可以对材料的结构和性能进行全面的分析和预测，这对于新材料的设计和开发非常有帮助。
【二】Materials Studio的操作手册接下来，让我们来详细了解一下Materials Studio的操作手册。
在使用Materials Studio进行材料建模和仿真时，研究人员需要掌握一系列的操作技能，包括建立原子模型、进行能带计算、进行分子动力学模拟等。
在操作手册中，会详细介绍每个操作步骤，并提供相关的实例和案例，帮助研究人员更好地掌握这些操作技能，从而更好地应用Materials Studio进行材料研究。
【三】对Materials Studio操作手册的个人理解在我看来，Materials Studio操作手册是非常有价值的。
通过学习和掌握这些操作技能，我可以更好地进行材料建模和仿真，更好地理解材料的性能和行为，从而为新材料的设计和开发提供有力的支持。
Materials Studio操作手册还可以帮助我更好地应用软件工具进行科研工作，提高工作效率和研究质量。
【结语】总结和回顾经过对Materials Studio的基本概念和操作手册的介绍，我对这个材料研究工具有了更深入的了解。
Materials Studio软件CASTEP模块
Logo
4
矿物晶体结构搭建
• （3）外部数据库导入结构
无机晶体学数据库ICSD
American Mineralogist Crystal Structure Database
可输入矿物名称、作者、化学元素、晶胞参数及对称性等关 键词查找，可直接获得.cif结构文件和XRD检测数据，还可 以预览3D模型。
输出结果
9
K-S求解近似处理方法-交换相关泛函
2 2
q
Zq r Rq
(r)
r r
dr VXC (r) i
i i (r)
电 动， 常数 一次迭代确定
核-电
电-电库伦作 用能
电-电交换相 关能
赝势处理
局域密度近似 LDA 广义梯度近似 GGA
决定
微观的电子结构
获 取
密度泛函
求解多粒子系统的薛定谔方程
H=E
近似求解多粒子系统薛定谔方程
Logo
7
密度泛函理论内容
[
1 2
2
Veff
(r )]
i
(r)
ii
(r
)
N
n(r) i (r) 2 i 1
Kohn-Sham方程
简化哈密顿算符
得 到
E() () Vne () Vee () Vnn
Logo
11
交换相关泛函-广义梯度近似GGA
GGA克服了LDA在描述真实体系在电子密度变化剧烈的情 况下的缺陷，提高了交换相关能计算结果的精度，也提高了密 度泛函方法计算的精度。
非定域泛函：
HF HF-LDA sX sX-LDA PBE0 B3LYP……
ms各个模块的介绍
Materials Studio软件包含多个模块，每个模块都有其独特的功能和用途。
1. 建模模块：该模块用于创建各种类型的分子模型，包括大分子模型、小分子模型、聚合物模型等。
同时，用户也可以根据需求进行模型修饰，如改变分子的构象、构型、分子片段等。
2. 催化模块：这个模块专注于对催化剂的研究，包括新催化剂的开发，催化剂性能的优化，以及催化剂的基本原理研究等。
3. 电池模块：该模块主要用于模拟和研究电池性能，包括电池的电化学性能、热力学性能、动力学性能等。
同时，该模块还可以用于研究电池的充放电过程、电化学反应过程等。
4. 半导体计算模块：该模块主要应用于半导体物理和器件的研究，可以模拟计算半导体材料的电子结构、光学性质、热力学性质等。
同时，还可以利用该模块进行半导体器件的设计和性能预测。
总的来说，Materials Studio软件包含多个模块，每个模块都有针对性的功能和应用领域，用户可以根据自身需求选择相应的模块进行使用。
Material-Studio建模
铁基块体非晶合金-纳米晶转变的动力学模拟过程Discover模块1 原子力场的分配在使用Discover模块建立基于力场的计算中，涉及几个步骤。
主要有：选择力场、指定原子类型、计算或指定电荷、选择non—bond cutoffs.在这些步骤中，指定原子类型和计算电荷一般是自动执行的.然而,在某些情形下需要手动指定原子类型.原子定型使用预定义的规则对结构中的每个原子指定原子类型。
在为特定的系统确定能量和力时，定型原子使工作者能使用正确的力场参数。
通常，原子定型由Discover使用定型引擎的基本规则来自动执行,所以不需要手动原子定型。
然而,在特殊情形下，人们不得不手动的定型原子，以确保它们被正确地设置。
图 3—11)计算并显示原子类型:点击Edit→Atom Selection,如图所示弹出对话框,如图所示从右边的…的元素周期表中选择Fe，再点Select，此时所建晶胞中所有Fe原子都将被选中，原子被红色线圈住即表示原子被选中。
再编辑集合，点击Edit→Edit Sets，如图所示弹出对话框见图，点击New..。
，给原子集合设定一个名字。
这里设置为Fe,则3D 视图中会显示“Fe”字样,再分配力场：在工具栏上点击Discover按钮，从下拉列表中选择Setup，显示Discover Setup对话框，选择Typing选项卡。
图3-2 Discover Setup对话框Typing选项卡在Forcefield types里选择相应原子力场,再点Assign（分配）按钮进行原子力场分配。
注意原子力场中的价态要与Properties Project里的原子价态（Formalcharge）一致。
2力场的选择1）Energy力场的选择：力场是经典模拟计算的核心,因为它代表着结构中每种类型的原子与围绕着它的原子是如何相互作用的。
对系统中的每个原子,力场类型都被指定了，它描述了原子的局部环境。
力场包括描述属性的不同的信息,如平衡键长度和力场类型对之间的电子相互作用。
MaterialsStudio介绍
MaterialsStudio介绍Materials Studio专门为材料科学模拟所设计，能方便的建立3D分子模型，深入分析有机、无机晶体、无定形材料以及聚合物，可以在催化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性等材料科学研究领域进行性质预测、聚合物建模和X射线衍射模拟，操作灵活方便，并且最大限度地运用网络资源。
DISCOVER：分子力学和动力学程序。
基于力场计算出最低能量构型、分子体系的结构和动力学轨迹等。
COMPASS：对凝聚态材料进行原子水平模拟的力场。
可以在很大的温度、压力范围内精确地预测孤立体系或凝聚态体系中各种分子的结构、构象、振动以及热物理性质。
Reflex：模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。
DMol3：密度泛函程序，可用于研究均相催化、多相催化、分子反应性、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、溶解热、混合热等性质。
CASTEP：量子力学程序，应用于陶瓷、半导体、金属等多种材料，可研究晶体材料的性质、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度）、晶体的光学性质、点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、延展缺陷（晶粒间界、位错）、体系的三维电荷密度及波函数等。
Materials Studio 3.1版加入的NMR CASTEP模块能够可靠地模拟任何材料的NMR化学屏蔽张量和四极耦合常数。
VAMP：半经验的分子轨道程序，适用于有机和无机的分子体系。
1. CASTEP可以使用超软赝势(USP)计算导电体系2. DMol3可进行周期性模型的COSMO溶剂化计算3. Nanotechnology Consortium使用户可以对大尺度体系进行量子力学模拟研究4. 加入线性标度DFT程序ONETEP，和QM/MM程序QMERAMaterials Studio 4.2新增功能：1. GULP增强：用立场工具创建自己的力场；计算光学特性（反射率，折射率，介电常数）2. 到Gaussian 03的接口：设定和提交任务；监视计算；显示分子，分子轨道和电荷密度；与Materials Studio的其它模块交换结构，电荷和Hessian。
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MaterialsStudio的模块Materials Studio的模块Materials Studio是一个全尺度材料模拟平台。
平台以可视化视窗界面Materials visualizer为核心，在其上共整合了24个功能模块，囊括了量子力学方法、经典模拟方法、介观模拟方法、有限元模拟等各种常见分子模拟方法，以及晶体结构解析、晶体形貌预测、定量构效关系分析等实用工具，实现了从电子结构解析到宏观性能预测的跨尺度研究。
Materials visualizerMaterials visualizer是Materials Studio的图形化界面，也是整个平台的核心。
Materials visualizer的功能包括：●搭建、调整各类三维可视的结构模型，包括晶体、小分子、聚合物、纳米材料、团簇、表界面以及各种缺陷结构；●提供模块参数设置、结果分析的视窗界面；提供结构文件、参数文件以及结果文件的管理界面；提供计算进程的监控界面；●对模拟结果进行各种分析，可与结构模型相结合进行数据的二维、三维显示，可以给出数据的图表，可以对特定的结果进行动画演示或给出矢量图；Materials visualizer的特性包括：●支持多种结构、图形、文本文件格式的输入和输出；●支持不同功能模块间结构数据的共享；●提供Perl语言环境，以及脚本编译工具；●提供不规则多面体表面积、体积的计算工具。
量子力学方法量子力学方法（Quantum Mechanics）是一种能够对材料体系电子结构特点进行解析的方法，精度高且几乎不依赖于任何经验参数，因此被广泛应用在各类材料的模拟研究中。
半经验量子力学方法（Semi-empirical Quantum Mechanics）同样能够对材料体系电子结构特点进行解析，但是包含有更多的经验参数以及数学、物理近似，因此，计算效率相比于纯粹的量子力学更高，但是精度会略低。
量子力学以及半经验量子力学方法均以定态薛定谔方程为核心，计算原子核满足特定排列、堆积时，核外电子的空间、能量分布，并由此进一步得到体系的电学性质、磁学性质、光学性质、热力学性质、力学性质，所能研究的材料体系类型包括：各类晶体材料及可能的各种缺陷结构，各种维度的纳米材料，各种分子及团簇材料。
量子力学方法最多能够计算数百原子模型的相关性质，而半经验量子力学方法能够计算数千原子的模型。
Materials Studio中的量子力学模块：CASTEP（平面波赝势方法）；D Mol3（原子轨道线性组合方法）；QMERA（量子力学/分子力学杂化方法）；ONETEP（线性标度方法）Materials Studio中的半经验量子力学模块：DFTB+（紧束缚近似方法）；V AMP（原子轨道线性组合方法）CASTEPCASTEP(Cambridge Sequential Total Energy Package)是由剑桥凝聚态理论研究组开发的一款基于密度泛函理论的先进量子力学程序。
程序采用平面波函数描述价电子状态，利用赝势替代内层电子，因此也被称为平面波赝势方法。
适于解决固体物理，材料科学、化学以及化工等领域中的各类问题。
目前，CASTEP 已经在材料研究的诸多领域获得了广泛而成功的应用，每年都有数百篇文章在各类顶级学术刊物上发表。
所涉及的研究对象主要有半导体、陶瓷、金属、分子筛等各类晶体材料，以及掺杂、位错、界面、表面等各种缺陷结构。
CASTEP的主要功能能量计算吸附热，缺陷形成能，内聚能，表面能等结构优化优化原子坐标和晶胞参数，支持原子分数坐标、晶胞参数、键长、键角、二面角限定，支持外加应力过渡态过渡态搜索（Synchronous Transit方法）电子结构解析能带结构，电子态密度（局域态密度、分波态密度），电荷密度，差分电荷密度，电子局域函数4.4，电子轨道，扫描隧道显微镜(STM)图像模拟，共价键级，静电荷（Mulliken、Hirshfeld），静电势，功函数4.4，自旋磁矩，费米面5.5介电性质波恩有效电荷，静态介电常数张量，极化率张量力学性质计算弹性力常数张量，体模量，剪切模量，杨氏模量，泊松比热力学性质计算声子态密度、色散谱（linear response的方法扩展至金属体系6.0）；熵，焓，自由能，零点能，德拜温度，等容热容随温度的变化曲线光学性质计算红外光谱，拉曼光谱5.0（计算指定频率范围的拉曼活性模强度6.1），核磁共振谱a（化学位移、电场梯度张量），电子能量损失谱4.4（旋轨耦合效应5.5），X射线吸收（发射）谱4.4（旋轨耦合效应5.5），光频介电常数虚（实）部，吸收系数，折射率，光导率虚（实）部，能量损失函数动力学计算b支持NVE，NVT，NPT以及NPH等系综，以及多种控温控压函数a需要CASTEP NMR模块的支持；b结果分析采用Forcite plus 的分析工具，具体内容参考Forcite plus介绍（页码）CASTEP的主要特性●范德瓦尔斯相互作用修正5.5（增加适用元素类型6.0）●表面模型计算所需的偶极修正6.1●Hubbard U 修正（可用于结构优化5.5，可用于声子计算6.0）●自带赝势生成程序●自动、手动选择最有效的并行方式●多种自洽收敛算法：Density mixing和EDFT ●混合交换关联函数：sX-LDA、HF-LDA、PBE04.4、B3LYP4.4、HSE03和066.1●支持Perl脚本5.0●支持断点续算●自动选择最佳的CPU数目5.5DMol3DMol3是由Bernard Delley教授发布的一款基于密度泛函理论的先进量子力学程序，它采用原子轨道线性组合的方法描述体系的电子状态，因此也被称为原子轨道线性组合方法。
DMol3有别于其它方法的最重要特点是采用数值函数描述原子轨道，这一做法兼顾了计算精度和效率，使得DMol3成为一款高效实用的量子力学程序。
除了可以预测材料的电子学、光学、热力学性能外，它还能够细致地研究气相、溶液、表面及其它固态环境中的化学反应，适合解决化学、化工、生物、材料、物理等领域中的各类问题，尤其是化学反应机理及催化剂设计的问题。
每年都有数百篇应用DMol3的文章在各类顶级学术刊物上发表。
研究对象涉及晶体材料、有机分子、团簇、纳米和多孔材料、生物分子等各种周期性及非周期性体系。
DMol3的主要功能能量计算吸附热，生成焓，结合能，反应热，表面能等结构优化优化原子坐标和晶胞参数，支持原子笛卡尔坐标（可限定某个方向坐标）、键长、键角、二面角限定过渡态过渡态搜索（Synchronous Transit方法），过渡态优化，过渡态的确认电子结构解析能带结构，电子态密度（局域态密度、分波态密度），电荷密度，差分电荷密度，电子轨道，Fukui 函数（支持周期性体系5.5），共价键级（非周期性体系），静电荷（Mulliken、Hirshfeld、ESP），静电势，功函数4.4，偶极矩，核电场梯度，费米面5.5，自旋磁矩热力学性质计算熵，焓，自由能，零点能，等压热容随温度的变化曲线光学性质计算红外光谱，拉曼光谱6.0（计算非周期性体系时给出强度），紫外可见光谱5.5（计算非周期性体系时给出强度），非线性光学性质5.5（非周期性体系）【频率依赖线性极化率、次谐波振荡(SHG)、光整流效应(OR)、普克尔斯电光效应(EOPE)、三次谐波振荡(THG)、直流电诱导二次谐波振荡(dc-SHG)、强度依赖折射率 (IDRI) 、克尔电光效应(EOKE)】动力学计算a支持NVE和NVT，以及多种控温函数a 结果分析采用Forcite plus的分析工具，具体内容参考Forcite plus介绍（页码）DMol3的主要特性●范德瓦尔斯相互作用修正5.5（增加适用元素类型6.0）●表面模型计算所需的偶极修正6.0●基组重叠误差（BSSE）修正6.0（非周期性体系）●支持COSMO以及COSMO-RS(COnductor likeScreening MOdel for Realistic Solvents)溶剂化模型，可用于计算蒸汽压、分压系数以及水化自由能●混合交换关联函数B3LYP6.0●支持Perl脚本●支持含时密度泛函（TD-DFT）理论●高精度数值轨道基组：TNP4.4、DNP+6.1●支持全电子计算，可考虑相对论效应●频率计算支持粗粒化的并行计算方式5.0●允许外加电场●支持周期性以及非周期性边界条件●支持断点续算QMERAQMERA是一款将量子力学方法的精确性与经典模拟方法的高效性有机结合的程序，也被称为量子力学(QM)与分子力学(MolecularMechanics)的杂化方法。
在利用QMERA进行模拟计算的过程中，需要在所研究体系中划分出量子力学和分子力学区域（其中量子力学区域往往是研究中的核心和兴趣所在，譬如非均相催化中的活性位点区域），然后分别调用DMol3和经典模拟方法中的GULP*模块进行处理。
QMERA提供了多种方式解决两个区域间的耦合问题。
QMERA可研究包含上千个原子的体系，在充分考虑周围原子影响的条件下，得到其核心部分的电子结构、可能的化学反应机理、紫外可见光谱、红外光谱等信息。
这一方法在非均相催化、表界面吸附、聚合物间的相互作用、生物分子活性的研究中相比于传统量化方法更具优势。
QMERA的主要功能能量计算吸附热等结构优化优化原子坐标，支持原子笛卡尔坐标、键长、键角、二面角限定过渡态过渡态搜索5.5（Nudged Elastic Band方法），过渡态优化5.5电子结构解析电荷密度，差分电荷密度，电子轨道，Fukui 函数，共价键级，静电荷（Mulliken、Hirshfeld、ESP），静电势，偶极矩，核电场梯度，自旋磁矩光学性质计算振动光谱（简正模频率），紫外可见光谱6.0动力学计算6.0, * 支持NVE和NVT，以及多种控温函数*结果分析采用Forcite plus的分析工具，具体内容参考Forcite plus介绍（页码）QMERA的主要特性●范德瓦尔斯相互作用修正5.5●支持周期性（整个体系5.0以及量子力学区域5.5）以及非周期性边界条件●支持部分原子振动频率计算（Partial Hessian）●混合交换关联函数B3LYP6.0●支持Universal和Dreiding力场，支持力场的拟合和编辑a ●支持加法（Additional）和减法（Subtractive）两种方式计算体系能量●支持Mechanical和Electronic两种耦合方式，后者可以考虑分子力学区域对量子力学区域的极化作用●包含更多专用力场*，譬如专门用于硅铝多孔材料的Sauer力场5.5●量化区域边界的悬键采用H原子饱和*详见GULP模块的介绍（页码？）ONETEPONETEP（Order-N Electronic Total Energy Package）是由剑桥凝聚态理论研究组开发的一款专门针对大体系（>500原子）研究的量子力学程序。