CASTEP模块计算电子态密度DOS
关于CASTEP
关于CASTEPCASTEP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， 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选项允许准备，启动，分析和监测CASTEP 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。
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。
提示： CASTEP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。
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概述
选择Properties标签，可从中指定我们想要计算的属性。选中Band structure和Density of states。另外，我们也可以具体指明job control选项，例如实时更新等。
CASTEP概述
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。
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。
在Element文本框中键入As。在a, b, c文本框中键入0.25。按 Add按钮。关闭对话框。
注意： CASTAP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。
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CASTAP作业。
CASTEP教程
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第一步是构建晶格。在Project explorer的跟目录上右键 单 击 ， 选 中 New | 3D Atomistic Document 。 接 着 在 3D Atomistic Document右键单击，把它更名为AlAs。 从菜单中选择Build | Crystals | Build Crystal，然后显示 出Build Crystal对话框，如下：
Add按钮。关闭对话框。
原子添加完毕，我们再使用对称操作工具来构建晶体结构当 中剩余的原子。这些原子也显示在邻近的单胞中。当然，我们
也可以通过重新建造晶体结构来移去这些原子。
从菜单栏中选择Build | Crystals | Rebuild Crystal...，按下 Rebuild按钮。在显示出的晶体结构中那些原子就被移走了。 我们可以把显示方式变为Ball and Stick。
选择 Properties 标签，可从中指定我们想要计算的属性。 选中Band structure 和Density of states。另外，我们也 可以具体指明job control选项，例如实时更新等。
• 注意
如果你的服务器没有足够快的 CPU ，本指南限制使用
CASTEP进行几何优化计算，因为它会占用相当长的时间 。
1 构建AlAs的晶体结构
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为了构建晶体结构，我们需要知道你想要构建的晶体的 空间群信息，晶格参数以及它的内部坐标。以 AlAs 为例， 它的空间群是F-43m或空间群数字是216。它有两种基本元 素Al和As ，其分数坐标分别为（0 0 0）和（0.25 0.25 0.25）。它的晶格参数为5.6622埃。
在模型文档中右键单击，选择Display Styles，按下 Ball and stick按钮。关闭对话框。 在3D视窗中的晶体结构是传统的单胞，它显示的是格子立 方对称。如果存在的话，CASTEP使用的则是格子的全部对 称. 既包含有两个原子的原胞和包含有8个原子的单胞是相对应的. 不论单胞如何定义，电荷密度，键长，每一类原子的总体能 量都是一样的，并且由于使用了较少的原子 ,使计算时间得以 减少。
CASTEP概述
单击此图标， 然后可旋转 晶格，显示 其立体结构。
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：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
CASTAP能量任务
CASTAP能量任务允许计算特定体系的总能量以及物理性质。
除了总能量之外，在计算之后还可报告作用于原子上的力；也 能创建电荷密度文件；利用材料观测仪（Material Visualizer)允许目测电荷密度的立体分布；还能报告计算中 使用的Monkhorst-Park的k点的电子能量，因此在CASTAP分析 中可生成态密度图。 对于能够得到可靠结构信息的体系的电子性质的研究，能量任 务是有用的。只要给定应力性质，也可用于计算没有内部自由 度的高对称性体系的状态方程（即压力-体积，能量-体积关 系）。
CASTAP动力学任务
CASTAP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CASTAP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。
* 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CASTAP 作业。 * 结果分析：计算完成后，相关于CASTAP作业的文档返回用 户，在项目面板适当位置显示。这些文档的一些进一步处理要 求获得可观察量如光学性质。 CASTAP中选择一项任务 1 从模块面板（Module Explorer)选择CASTAP\Calculation。 2 选择设置表。 3 从任务列表中选择所要求的任务。
Castep模块快速入门教程
用第一性原理预测 AlAs 的晶格参数背景：最近在密度泛函理论方法(DFT)应用于大周期系统的研究方面的进展在解决材料设计 和加工上变得越来越重要。
该理论允许对实验数据进行解释，测定材料的潜在性质等等。
这 些工具可以被用来指导新材料的设计，允许研究者了解潜在的化学和物理过程。
本指南描绘了 CASTEP 是如何使用量子力学方法来测定材料的晶体结构，使用者将学会如 何构建晶体结构，设定一个 CASTEP 几何优化任务，然后分析计算结果。
本指南运行的几何优化任务需要耗费巨大的计算时间。
1. 构建 AlAs 晶体结构 构建晶体结构，需要了解空间群、晶格参数和晶体的内坐标等知识。
对 AlAs 来说，空间群 是 F-43m，空间群代号为 216。
基态有两个原子，Al 和 As 的分数坐标分别为(0, 0, 0)和(0.25, 0.25, 0.25)，晶格参数为 5.6622 Å.。
第一步是建立晶格。
在 Project Explorer 内，右击根目录选择 New | 3D Atomistic Document。
右击该文件，将该文 件重新命名为 AlAs.xsd。
从菜单栏里选择 Build | Crystals | Build Crystal。
Build Crystal 对话框显示出来。
点击 Enter group 输入 216，按下 TAB 按钮。
空间群信息更新为 F-43m 空间群。
选择 Lattice Parameters 标签栏，把值从 10.00 变为 5.662。
点击 Build 按钮。
一个空白的 3D 格子显示在 3D Atomistic 文件里。
现在可以添加原子。
选择菜单栏里的 Build | Add Atoms。
使用这个对话框，可以在确定的位置添加原子。
在 Add Atoms 对话框上，选择 Options 标签栏。
确认坐标系统设置为 Fractional。
选择 Atoms 标签栏。
CASTEP模块计算电子态密度DOS
CASTEP模块计算电子态密度DOSCASTEP (Cambridge Sequential Total Energy Package)是一种计算材料电子结构的软件模块，它可以用来计算电子态密度（Density of States，DOS）。
DOS是描述材料中电子能级分布的物理量，它反映了材料的能带结构、导电性质等重要信息。
在CASTEP中，计算DOS需要进行如下步骤：准备输入文件、运行计算、后处理结果。
首先，准备输入文件。
CASTEP使用文本输入文件来描述计算的各种参数和设置。
主要的输入参数有晶体结构、波函数基组、赝势、k点网格等。
晶体结构可以从实验数据或者其他计算软件的输出中得到，通常以.xyz、cif等格式进行描述。
波函数基组和赝势是用来描述电子波函数的数学函数形式，影响到计算结果的精度和计算速度。
k点网格是用来对布里渊区（Brillouin Zone）进行积分的离散点集，也会影响计算结果的精度和计算速度。
然后，运行计算。
将准备好的输入文件，通过CASTEP中的计算界面或者命令行工具提交到计算机集群进行计算。
CASTEP采用第一性原理计算方法，通过解析薛定谔方程得到材料的自洽电子结构。
计算的中间结果包括单个能带的电子能级和对应的态密度。
最后，进行后处理结果。
CASTEP计算得到的结果保存在输出文件中，可以通过查看输出文件来得到DOS相关的信息。
输出文件包括电子能级、能带结构、态密度等结果。
态密度可以通过对电子能级进行充分采样并平滑处理得到。
通常，DOS图可以用能量作为横坐标，态密度作为纵坐标进行绘制。
利用CASTEP计算DOS可以获得材料电子结构的直观理解。
DOS图中的峰值和谷值对应着材料中的能带结构和能量能隙。
DOS图可以展示材料的导体、绝缘体或半导体特性，并对材料的导电性质、磁性质等提供重要信息。
此外，DOS图还可以与实验测量数据进行对比，验证材料的理论预测。
总之，CASTEP模块可以用于计算材料的电子态密度（DOS）。
Castep软件基础理论知识
E xc ρ ρ r ε xc ρ r dr ,
在这里 ε xc ρ 是在均匀电子气中的单粒子交换相关能， （ρ是粒子数） 。 一般自旋密度泛函 交换相关势的最简单形式是由 Slater(1951) 获得的，这种势简单地利用了
ε xc ρ ρ 3 关系。在这个近似里，相关性没有被包括进去。更加成熟的近似使
E xc ρ , d( ρ ) 对于研究分子热化学过程是必须的，这一点在过去几年中已有了 dr
详 细 的 记 载 （ 见 Ziegler,1991; Labanowski 和 Andzelm,1991; Politzer 和 Seminario,1995 的论述） 。 一般使用的 NLSD 泛函包括针对相关泛函的 Perdew 和 Wang(PW)推广梯度 近似；Beche(B)的梯度修正交换泛函。还有 Lee,Yang,和 Parr(LYP)的梯度修正相 关泛函也是常使用的。 总能表达式 现在总能可以写成： Eq.DFT-8
西安交大 周朝晖
Castep 软件中的理论知识
下面的主题提供了 Castep 软件相关理论的具体细节。 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ ⑪ ⑫ ⑬ ⑭ ⑮ 密度泛函理论(DFT)概述。 Castep 软件中的密度泛函理论。 赝势。 平面波基组。 布里渊区采样。 自洽的电子的求最小值。 几何优化。 动力学。 Mulliken 布居分析。 态密度和部分态密度。 光学性质。 弹性模量常数。 热动力学计算。 线性响应。 声子。
-6
西安交大 周朝晖
Hale Waihona Puke H (r i )H eff (r i ) (r i ) w(r i )
i
分别在 DMol3 和 CASTEP 的一些章节中，可以获得计算这个积分的数值积分过 程的其他信息。
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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Biblioteka 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。
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 g ( E f ) 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。
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。
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。
同样，将ZnO.xsd复制到 Zn85Al15O85N15.sxd中。 与上面操作类似，将原子比 例改变如下 Zn:Al=O:N=85:15 在Properties中选择 Symmetry System，可以查 看晶体的成分。