第六讲第一原理计算方法简介及Materials Studio中Castep使用
Materials-Studio软件CASTEP模块知识分享
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K点取样
K点是倒易空间的基本构成点，总 能量的计算就是对布里渊区内均匀分布 的部分特殊K点的积分后加权重求和完 成的。
y y=(x)
V
b1 b2 a1 b 3(a2
2 a2 a3
2 a3V a1
2
a1
V
a2
a3 )
V 原胞体积
o x0 x1
……
xn
x
Logo
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K点取样设置
Logo
Logo
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偶极修正
通过剪切体相结构构建表面的时候应当尽量使上下表面的终 端原子相同，但是这种情况一般不会实现。所获得的表面为不对 称表面，两层表面之间会产生偶极场作用，影响后续的表面能、 吸附能等能量的计算。
在切得的表面不对称或者表面 有分子吸附时，能量的计算过程中 应当加入偶极修正。
推荐选用Self-consistent（自洽） 偶极修正，只有在自洽迭代不收敛 的时候才建议选用Non selfconsistent（非自洽）偶极修正。
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
The predicted enthalpy differences of TiC in NaCl, CsCl and WC phase as a function of pressure.
五、弹性常数计算
加压优化
பைடு நூலகம்
高压下弹性常数
弹性常数分析
分析数据（txt文件）
通过弹性常数可以得到
谢谢大家！！！
b.确定声子计算方法，其中的一些q值是由特殊文字 符号所代表的，是布里渊区内的一些特定对称点， 声子谱会依此q值的连线而展开。 这里我们采用 预设值，不作任何修改 。
c.在Job Control中来选择所要跑的Gateway location，如果要让任务在服务器上跑，就点击 files作为输入文件提交到服务器上
CASTEP学习总结报告
CASTEP 程序
一、CASTEP简介
CASTEP（Cambridge Sequential Total Energy Package 的缩写） 是Materials Studio (MS) 中的计算包之一，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，进行第一性原理量子力学计算。
3、显示声子散射和能态密度
4、显示热力学性质
5、数据处理-python
输入文件
输入数据并注意单位换算 能量 （eV → Ry） 态密度 1/cm-1 体积 （Ǻ → a.u.） 频率 cm-1
输出文件
七、今后的工作
1、TiN的力学性质
2、TiC的力学性质
3、声子的计算
完
CASTEP可以模拟固体、界面和表面的性质，适用于多种材料体系， 包括陶瓷、半导体、金属、矿物和沸石等。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 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。适 用于固体物理，材料科学，化学以及化工领域。
1-Materials Studio 与 CASTEP 快速入门
unit_MS_quick-start打開 Materials Sautio，它會問是要開始一個新的 project 還是要打開一個前次的 project。
如果是第一次用的話要選開啟新的 project ，如果一旦這樣回答的話，它還問你是什麼 project，那我們就給它一個 project 的名稱。
我們現在要以氯化鈉為例，你可以給任何名稱，但是我現在要以 NaCl 為名稱。
一開始進來要先介紹幾個重要的視窗，它們關係到我們進行模擬計算時所會處理及操作到的對象。
姑且可以分為這三類：一、進行計算的工作，己跑完的、正在跑的都算；二、計算工作總是有各有些不同的輸入與輸出檔案，我們經常會需要審視結果、修改輸出入的相關設定；三、材料的原子及電子結構 3D 模型帶有很多我們想要知道之關於這個材料的物性資料，例如晶體的晶胞邊長、原子的元素種類等等。
從 Veiw 的 Explorer ，它有三個 Explorer，job Exploroer、project exploroer、property explorer 。
job explorer 的開跟關是這樣按一次它就開起來。
這個是你跑什麼 job 近端遠端它都可以顯示，跑完了沒有、要不要把它移除等等，在這邊都可以操作，有很多 job 的時候會很好用。
project explorer 預設值是開著的，就是靠左邊垂直的這一塊，裡面對於跑 project 的相關物件，如文字輸出、3D結構等等都是在這裡選取，很像微軟視窗 (MS Windows) 裏頭的『檔案總管』。
要做東西總是需要選取一個 job 相關的目錄等等，所以 job explorer 在操作上來講是很重要的。
另外我也常常會打開的是 property explorer ，property explorer 在 MS 是新的東西，相對 Cerius2 而言是新的東西。
在 Cerius2 裡如果你想要知道一些 3D 物件的屬性，像是鍵長、鍵角，晶胞內原子數，就要分別去打開一些相關的表單，它才會印給你看，然而初學者還得學會這些表單藏在那裏。
Materials Studio软件简介及基本操作PPT课件
目前，已成为与实验研究、理论研究具有同样重要地位 的研究手段。
哈勃望远镜观察到的宇宙
三体-该片根据刘慈欣同名小说改编，讲述了在红岸基地人类文明初次向宇宙 发出啼鸣后，开启了与计划殖民地球的三体文明间生存之战
诺贝尔化学奖得主（自左向右）：亚利耶·瓦谢尔、马丁·卡普拉斯和迈克尔·莱维特。
随着科学技术的不断发展，科学研究的体系越来越复杂， 理论研究往往不能给出复杂体系解析表达，或者即使能够给 出解析表达也常常不能求解，传统的解析推导方法已不敷应 用，也就失去了对实验研究的指导意义。反之，失去了理论 指导的实验研究，也只能在原有的工作基础上，根据科研人 员的经验理解、分析与判断，在各种工艺条件下反复摸索， 反复实验，最终造成理论研究和实验研究相互脱节。
分子力学中用力场来描述分子中各原子间的相互作用。 所谓力场是指描述各种形式的相互作用对分子能量影响的函 数，其有关参数、常数和表达式通常称为力场。
一般力场的表达式为:
E E str e E b tc e h n E td or E svio d E n w el e .c ......
Estretch. 为键的伸缩能; E bend . 为键的弯曲能，二者均采用谐振子模型；
最后可以对轨迹进行各种结构、能量、热力学、动力学、 力学等的分析。
④ 耗散动力学方法 1992年，Hoogerbrugge和Koelman提出了一种新型分子模拟
方法，他们把分子动力学与格子气体自动控制方法有机地结合起 来，提出了针对复杂流体介观层次上的模拟方法，被称为耗散粒 子动力学(DPD)方法。通过保留体系运动方程积分的主要部分而 首先积分出最小的空间自由度，找到了一个能够在介观的时间与 空间尺度上模拟复杂流体的方法。在DPD体系中，珠子通过软势 与其它珠子之间发生相互作用，其中每一个珠子表示体系中的一 个小区域。并假设其运动遵从牛顿定律，即珠子上的合力为其直 接相互作用及它与其它珠子之间的耗散力和随机力之和。通过对 其运动方程积分，得到体系的动力学行为沿着一个通过相空间的 抛物线运动，利用柔性(soft)势能函数进行能量计算，平衡性质可 由沿该轨迹作适当平均计算得出。
第一性原理计算方法
第一性原理计算方法第一性原理计算方法是一种基于量子力学原理的计算方法，它可以用来研究原子和分子的结构、性质和反应。
与传统的经验性方法相比，第一性原理计算方法具有更高的精度和可靠性，能够提供更多的物理和化学信息。
本文将介绍第一性原理计算方法的基本原理和应用。
首先，第一性原理计算方法是建立在薛定谔方程的基础上的。
薛定谔方程描述了体系的波函数随时间的演化，通过求解薛定谔方程，我们可以得到体系的能量、波函数和其他物理性质。
在第一性原理计算中，我们通常采用密度泛函理论来近似求解薛定谔方程，通过求解库仑势和交换-相关势的作用，得到体系的基态能量和波函数。
其次，第一性原理计算方法的应用非常广泛。
它可以用来研究固体、液体和气体的结构和性质，预测材料的稳定相和晶体结构，计算分子的几何构型和振动频率，分析化学反应的动力学过程等。
同时，第一性原理计算方法还可以用来设计新型的功能材料，优化催化剂的性能，预测分子的电子结构和光学性质，研究纳米材料的电子输运行为等。
在第一性原理计算方法的发展过程中，科学家们提出了许多不同的计算框架和方法，如密度泛函理论、量子蒙特卡洛方法、格林函数方法等。
这些方法在不同的体系和问题上都有各自的优势和局限性，需要根据具体的研究目的来选择合适的方法。
总的来说，第一性原理计算方法是一种强大的工具，它在材料科学、物理化学、生物化学等领域都有重要的应用价值。
随着计算机硬件和软件的不断发展，第一性原理计算方法将会变得更加高效和精确，为科学研究和工程应用提供更多的支持和帮助。
通过以上介绍，我们可以看到第一性原理计算方法在材料科学和化学领域的重要性和广泛应用。
它不仅可以帮助我们理解物质的基本性质，还可以指导新材料的设计和合成，促进科学技术的发展和进步。
因此，掌握和应用第一性原理计算方法对于科研工作者和工程技术人员来说都是非常重要的。
希望本文的介绍能够为读者提供一些有益的信息，引起对第一性原理计算方法的兴趣和关注。
简述第一性原理计算软件CASTEP 在材料物理教学中的应用
信息记录材料2019年9月第20卷第9期(借息：技术与应用〕简述第一性原理计算软件CASTEP在材料物理教学中的应用吴玉辉(长春理工大学材料科学与工程学院吉林长春130022)【摘要】CASTEP程序是Cambridge Sequential Total Energy Package首字母的缩写，是一个基于第一性原理的量子力学程序.它是采用平面波贋势基组结合密度泛函理论，用来研究与设计材料物理性质功能强大的工具。
在教学过程中引入CASTEP计算模拟软件，对材料物理教学中的知识点及基本原理进行计算及演示，可以使教学内容和过程更加生动形象。
使与材料物理相关的知识点、更易于被学生掌握和接受，从而提高教学效率，激发学生兴趣。
本文旨在探索使用计算模拟软件在材料物理教学中应用,为材料物理的教学进行有益的探索及尝试。
【关键词】材料物理；CASTEP;Materials Studio;教学演示；第一性原理【中图分类号】TP37【文献标识码】A1简介第一性原理计算模拟软件CASTEP是Materials Studio软件包中的一个计算模块，它最初由剑桥大学-卡文迪什实验室的TCM(Theory of Condensed Matter group)凝聚态固体物理小组在20世纪80年代末、90年代初釆用Fortran77开发(后在2001年采用Fortran 95改写，用以提高整个代码的并行性和可持续性)。
CASTEP主要用于固体物理中凝固态相关性质的计算，20世纪90年代中期，由美国的分子模拟国际Molecular Simulations Inc.(MSI)公司发放许可证进而商业化运行，剑桥大学获得了一部分版税。
该公司后来与Genetics Computer Group(GCG)公司、英国的Synopsys Scient 迁ic系统公司以及Oxford Molecular Group(OMG)公司，于2001年6月1日合并组建了Accelrys公司，它是国际上知名的分子生物学及信息学公司，2016年1月被法国Dassault Systemes公司收购，随后Accelrys更名为BIOVIAo这个公司目前是全球范围内唯一能够提供分子模拟、材料设计以及化学信息学和生物信息学全面解决方案和相关服务的软件供应商。
第六讲第一原理计算方法简介及Materials Studio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。
第一原理计算方法简介
及Materials Studio中Cestep使用
第一原理计算方法简介
第一性原理方法（First-principles method），有时候也称为从头计算（ab initio），其基本思想是将多原子构成的 体系当作电子和原子核（或原子实）组成的 多粒子系统，从量子力学第一性原理（多电 子体系的Schrö dinger方程）出发，对材料 进行“非经验性”的模拟。原则上，第一性原 理方法无可调经验参数，只用到几个基本物 理常数，如光速c、Planck常数h、电子电 量e、电子质量me以及原子的各种同位素的 质量，因此处理不同体系时候具有较好的可 移植性（transferability）。但是，在具 体实行时，仍依赖于具体近似方法的选取， 从而带来系统误差。
分子力学与分子动力学 MS.DISCOVER PASS MS.Amorphous Cell MS.Forcite MS.Forcite Plus MS.GULP MS.Equilibria MS.Sorption
量子力学 MS.Dmol3 MS.CASTEP MS.NMR CASTEP MS.VAMP 定量结构-性质关系 MS.QSAR MS.QSAR Plus MS.Dmol3 Descriptor
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Pseudo, PAW all-electron
操作系统
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www.tcm.ph / castep/
www.pwscf.o rg/
Linux Linux
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第一原理计算方法简介 及Materials Studio中Cestep使用
第一原理计算方法简介
第一性原理方法（First-principles
method），有时候也称为从头计算（ab initio），其基本思想是将多原子构成的
体系当作电子和原子核（或原子实）组成的 多粒子系统，从量子力学第一性原理（多电 子体系的Schrö dinger方程）出发，对材料 进行“非经验性”的模拟。原则上，第一性原 理方法无可调经验参数，只用到几个基本物
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2. 能够容易地创建并研究分子模型或材料结构，使用 极好的制图能力来显示结果。
3. 与其它标准PC软件整合的工具使得容易共享这 些数据 Origin, Matlab…。
4. 采用材料模拟中领先的十分有效并广泛应用的 模拟方法（LDA, GGA）。
www.wien2 k.at
Materials Studio 概述
Material Studio简介
Material Studio的特点： 1. 采用服务器/客户机模式的软件环境， Microsoft标
准用户界面，不需要登录服务器。 XP, 2000, 2003, Vista, 2008
Http Gateway Ftp
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。
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Reflex-Powder Indexing
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Reflex-Powder Refinement
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Reflex Plus
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√ √ √ Reflex QPA
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√ √ √ Sorption
√ √ √ Synthia
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X-Cell
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√ √ √ Mesotek
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Module
parallel Windows Linux Linux IA32 IA64
Module
parallel Windows Linux Linux IA32 IA64
Materials Visualizer Adsorption Locator
Amorphous Cell
Blends
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ONETEP
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Polymorph
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QSAR and QSAR Plus
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CASTEP and NMR CASTEP
Reflex-Pattern
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√ √ √ Processing and
P
CCDC
Conformers Discover DMol3 DPD Equilibria Forcite Gaussian GULP MesoDyn
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
CASTEP的任务
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 CASTEP作业。 结果分析：计算完成后，相关的CASTEP作业的文档返回用户， 在项目面板适当位置显示。这些文档进一步处理能获得所需 的观察量如光学性质。
密度泛函理论
赝势(pseudo potential) 赝势就是把离子实的 内部势能用假想的势能 取代真实的势能，但在 求解波动方程时，不改 变能量本征值和离子实 之间区域的波函数。模 守恒赝势NCP (Norm Conserving Pseudopotential) 和 超软赝势 USPP(Ultrasoft Pseudoptential)
密度泛函理论
基组(basis set) 求解Kohn-Sham方程，选取适当的基组， 将波函数对其展开，将方程求解转化为线 性代数问题。 一般选用如下基组展开:
(Linearized) augmented plane waves (L)APW’s
(Linearized) muffin-tin orbitals - (L)MTO’s Projector augmented waves -PAW’s
精 组态相互作用方法（采用多个Slater行列式考虑电子关联）
度 Mφller-Plesset（MP）修正（将关联作用作为微扰修正）
， 计
Hartree-Fock方法（忽略交换作用，严格计算电子积分）
算 半经验方法，如CNDO，MNDO，MINDO，AM1，PM3
量 等（同样忽略交换作用，近似计算电子积分）
量子力学 MS.Dmol3 MS.CASTEP MS.NMR CASTEP MS.VAMP
高分子与介观模拟 MS.Synthia MS.Blends MS.DPD MS.MesoDyn MS.MesoPro
定量结构-性质关系 MS.QSAR MS.QSAR Plus MS.Dmol3 Descriptor
理常数，如光速c、Planck常数h、电子电 量质量e、，电因子此质处量理m不e以同及体原系子时的候各具种有同较位好素的的可
移植性（transferability）。但是，在具 体实行时，仍依赖于具体近似方法的选取， 从而带来系统误差。
多粒子体系（电子＋核）的薛定谔方程
三个近似
a. 非相对论近似(忽略了电子运动的相对论效应) ve<<c,ve~108cm/s<3×1010cm/s),me=m0 求解非相对论的薛定谔方程，而不是相对论的狄拉克方程
密度函数
电子与原子核间的库仑势 电子间的库仑势 交换关联势 （未知）
密度泛函理论
LDA和GGA近似 Kohn-Sham方程原则是精确的，但遗憾的 是交换关联势是未知的。要进行具体计算， 就必须使用近似方法求出交换关联势。常 用的近似方法有局域密度近似(Local Density Approximation)和广义梯度近似 (Generalized Gradient Approximation), 在某些情况下，广义梯度近似改善了局域 密度近似的计算结果，但它并不总是优于 局域密度近似。
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。
库） （2）通过软件建模（如Material Studio中
模块 Visualizer 、Diamond）
Castep使用
CASTEP模块 Cambridge Serial Total Energy Package)
CASTEP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。
Hartree Fock方程
薛定谔方程简化为：
将总Hamilton分解成单电子贡献H0和电子－电子相互作 用U。应用变分法计算多电子波函数方程，可得HartreeFock方程。
量子化学分子轨道方法
分子轨道方法：在Hartree-Fock框架下，将单电子波函数 用原子轨道（Slater型－STO，Gaussian型－GTO）的 线性叠加表示来求解。
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选项来准备，启动，分析和 监测CASTEP计算工作。
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计算包括单点的能量计算，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。
晶体、结晶与X射线 衍射
MS.Polymorph Predictor MS.Morphology MS.X-Cell MS.Reflex MS.Reflex Plus MS.Reflex QPA