CASTEP模拟计算实例1
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计算吸收光谱
castep计算吸收光谱
CASTEP（Cambridge Sequential Total Energy Package）是一种基于第一性原理的材料模拟软件，广泛用于计算材料的电子、结构和光学性质。
下面是使用CASTEP计算吸收光谱的一般步骤：
1.结构优化：首先，使用密度泛函理论（DFT）方法对待计
算材料的晶体结构进行几何结构优化。
此步骤对于获取准确的原子坐标和晶体结构参数至关重要。
2.能带计算：在结构优化完成后，使用CASTEP进行能带计
算，计算材料的电子能带结构。
这将提供有关材料的能量带隙、能带形状和能级分布等信息。
3.光学性质计算：接下来，使用CASTEP计算材料的吸收光
谱。
可以通过在计算输入文件中添加适当的参数来实现此目的。
•范围：定义用于计算吸收光谱的能量范围。
可以选择合适的范围，以包含所需的吸收过程。
•k点网格：使用CASTEP的k点网格参数，对能带计算和吸收光谱计算进行采样。
k点密度的选择将直接影响计算结果的准确性和计算效率。
•打开合金近似（OAA）：对于包含过渡金属等元素的化合物，可以考虑打开合金近似来获得更准确的光学性质计算结果。
4.解析计算结果：在CASTEP计算完成后，将得到能带结构
和吸收光谱的计算结果。
可以使用可视化工具或自行编写脚本来进行计算结果的分析和解释。
需要注意的是，CASTEP计算吸收光谱需要对材料的结构和光学参数进行适当的设置，并进行计算参数的收敛测试。
同时，由于光学性质计算的计算量较大，可能需要运行在高性能计算机集群或并行计算环境中。
CASTEP概述及一PPt详细教程
CASTEP动力学任务
CASTEP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CASTEP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。
• 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：
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。
注意： CASTEP仅能在3D周期模型文件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CASTEP作业。
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。
CASTEP模块计算电子态密度DOS (2)
改为球棒结构。关闭对话框。
选择一个Zn。
双击Properties中的 IsMixtureAtom
弹出对话框
单击Edit…，出现新对话框。
将Composition由100.00改 为99，单击OK。
在对话框中单击Add…
出现新对话框。单击 Element右侧的图标， 打开元素周期表。
在元素周期表上选Al， 再单击OK。
将Composition由0.00改为1， 单击OK，对话框关闭。这 样，晶体中Zn:Al=99:1。
单击OK，对话框关闭。
选择一个O。
双击Properties中的 IsMixtureAtom
弹出对话框
单击Edit…，出现新对话框。
将Composition由100.00改 为99，单击OK。
在3D Viewer的空白处单击左 键，取消原子选择。
这样就构建了三种浓度的掺杂。
先计算ZnO。 ZnO.sxd为当前 文件。
band
虚晶模型 －ZnO:Al透明导电膜 理论基础： e2 v 2 f f g (E f )
e vf 电导率 电子电荷 电子的费米速度 费米面上电子的碰撞时间 费米面上的态密度
1 3
f
g (E f )
建立class1017文件夹，在其中建立一个名为ZnO的project。
双击ZnO.xsd，使其为当前文件。
在Properties中选择Symmetry System，可以查看晶体的成分。
同样，将ZnO.xsd复制到 Zn95Al5O95N5.sxd中。与 上面操作类似，将原子比例 改变如下
Zn:Al=O:N=95:5
在Properties中选择 Symmetry System，可以查 看晶体的成分。
MS中CASTEP模块进行DFT计算
CASTEP 也支援較傳統電子之平衡狀態的恢復，它用到了對總能的極小化。電子波函數是以平面波基底來表 示並且展開係數會被變化以便達到最小的總能。此一極小化可利用每個波函數被獨立的最佳化的 band-by-band 的技術，或允許同時更新所有波函數的 all-band 方法來達成(只有 all-band 方式支援 USP 的使用)。此一方式用了如 Payne 等人所提出的預先調節式的共軛梯度技術。
註解
雖然 CASTEP 主要是用於大尺度的週期性系統，他也可以被應用在以超晶格建力起來的缺陷表面介面與分 子，更進一步的資訊請參照 42 頁的”非週期系統”已獲的更進一步的資訊。
CASTEP 模組允許你使用含有彈性的分子模型工具，Cerius2 模型環境所提供的進階的 GUI 來產生與設定模 型以便研究，定義你要進行計算工作的形式，並且在本地端的機器或遠端的機器執行它。
所有的膺勢都是採用可分離的 Kleinman-Bylander 形式上。norm-conserving potential 能夠在實空間或 是倒空間的波函數來使用；實空間的方法提供了對於系統而言比較好的 scalability。Ultrasoft 位勢目 前只可以在倒置空間中使用(提醒您注意，實空間實作的好處在此一情況下是比較小的)。
前言
CASTEP 的理論基礎是電荷密度泛函理論在局域電荷密度近似或是梯度修正的版本，這是由 Perdew 和 Wang 所發展的 GGA。DFT 所描述的電子氣體交互作用被認為是對大部分的狀況都是夠精確的，並且他是唯一能實 際有效分析週期性系統的理論方法。請看第三章一般理論來或的更進一步的 DFT 理論。
这几天在学习用 Material studio 软件包中 CASTEP 模块进行 DFT 计算，找到一个 CASTEP 模块的详细说明， 不敢独享！ CASTEP 前言
CASTEP计算理论总结实例分析
C A S T E P计算理论总结实例分析Standardization of sany group #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#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(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。
CASTEP教程
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。 Material Studio使用组件对话框中的CASTAP选项允许准备，启 动，分析和监测CASTAP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CASTAP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。
定义时间步长（timestep ） 在积分算法中重要参数是时间步长。为更好利用计算时间， 应使用大的时间步长。然而，如果时间步长过大，则可导致积分 过程的不稳定和不精确。典型地，这表示为运动常数的系统偏差。
注意：量子力学分子动力学计算要求比力场动力学使用更小的时间步长。
动力学过程的约束 CASTAP支持Langevin NVT或NVE动力学过程的线性约束。然 而，借助Material Studio界面可以近似使用以下两种更基本的约束： 质心固定 ， 单个原子固定 使用seedname.cell 文档可以利用更复杂的约束。
注意：具有内部自由度的体系中，利用几何优化（Geometry Optimization)任务可获得 状态方程。
CASTAP中能量的缺损单位是电子伏特(eV)，各种能量单位的换算 关系见Mohr.P.J(2000).
1 eV=0.036749308 Ha=23.0605 kcal/mole=96.4853 kJ/mole
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。
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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。
作者也首先建立了二硫化亚铁的晶体结构，对优化后的结构也进行了计算，得到能带带隙的较准确结果，但在能带的顶层出现了文献中未出现的新结构，因此还需要其他文献进行证实。
作者也建立了双层的二硫化亚铁（100）晶面的超晶胞结构，但限于计算能力，只对结构进行了分子力场的初步结构优化。
详细结果见文章三。
四，三氧化二铝性质计算
三氧化二铝是广泛用于复合材料中的一种附加材料，在电子工业中用于衬底材料。
作为陶瓷原料更是普遍。
三氧化二铝有多种晶体类型，目前广泛得到研究的是α-三氧化二铝，作者计算了它的能带结构和状态密度分布以及电子密度分布情况，计算结果与实验结果相比较是可靠的，电子密度分布揭示了化学键的性质。
详细结果见文章四。
五，其他几种半导体材料能带结构的计算
作者也计算了几种目前普遍使用的半导体材料的能带结构，晶体结构在计算前是经过了结构优化的，某些计算的能带带隙并不理想，与实验数值相比较，差距较大。
但发现了能带结构和计算晶体结构特别是化学键类型间的关系是密切的。
通过对于几种类型的半导体能带结构和状态密度的计算表明他们与原子轨道杂化类型，原子间成键类型等均有关系，计算几种半导体分别是：本征半导体Si,离子型窄带隙半导体ZnO and Cu2O，搀杂n型半导体BN。
从杂化轨道类型来看，硅为sp3杂化，BN为sp2杂化。
其余两种
是离子型晶体，化学键主要成分是离子键。
从能带结构分析，离子型半导体费米能级以下的部分能带形状平滑，而共价键杂化类型的半导体在费米能级以下部分为抛物线型。
在费米能级以上的部分两者差别不大，均为抛物线型。
状态密
度(DOS)图来看，ZnO and Cu2O型半导体各个分波区分是很明显的，杂化型半导体状态密度各个分波区分并不明显，一般为连续型，原子轨道混合在这些半导体中是很明显的。
六，MnN和MnAs自旋状态密度分布与晶体结构常数间的关系
R. de Paiva1, J. L. A. Alves等人文献中，研究了闪锌矿结构的MnN 和MnAs自旋密度分布随晶体结构常数变化的关系，上述两种物质的闪锌矿结构并不是它们的稳定结构，但在这种结构中Mn以四面体配位性质
在许多二元磁性材料均有体现，人们相信，正是锰元素这种配位环境形成了独特的磁性质。
文献作者采用第一性原理的DFT理论分别用GGA和LDA分别计算了随着晶体尺寸变化，自旋密度分布的变化情况，他们发现上面两种物质自旋密度状态分布结构与晶体尺寸密切相关，当MnN尺寸大于0.490nm,MnAs大于0.571nm
延伸闪锌矿结构是半金属型的,即多数自旋(majority spin)密度分布在费米面处是连续的,少数自旋(minority spin)密度则在费米面处是绝缘体型的。
他们计算中晶体平衡尺寸分别是：
MnN：a o= 4.19 A° (LDA), and 4.30 A° (GGA));
MnAs：the magnetic moments are 2:5¹B and 4:0¹B respectively at the equilibrium lattice parameters ao = 5:32 °A(LDA) and 5.71 °A (GGA).
作者计算均采用GGA，MnN：0.425nm；MnAs：0.5977nm。
自旋密度分布和能带结构基本与文献结果一致，在MnN中，自旋密度在费米能级附近随着尺寸变化是很明显的，但MnAs中则与文献结果不一致。
现将文献结果与作者结果列图如下：
从多数自旋(majority spin)密度和少数自旋(minority spin)密度图中可以明显的得到体系电子电导的单自旋极化现象，半金属特性是
明显的。
但MnAs计算结果与文献差别较大，特别是自旋密度与晶体随尺寸变化的关系不明显，作者计算
了在0.571nm,0.569nm and 0.550nm的情况下的状态密度情况，仍然没有发现自旋密度分布在费米面处明显的变化。
特别是文献中提到的少数自旋(minority spin)密度在晶体尺寸小于0.571nm时会在费米面处产生能隙。