Materials-Studio软件CASTEP模块知识分享
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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。
中科大 Materials Studio 培训教程7(包你学会!)
创建一个表面是一个两步过程。首先是要切出一个表面，其次就是创建一个包 含了表面的真空层。 从菜单栏里选择Build | Surfaces / Cleave Surface。把Cleave plane (h k l) 从 (-1 0 0) 改为(1 1 0)，按下TAB 键。把Fractional Thickness 提高至1.5。按下 Cleave 按钮，关闭此对话框。
6 7
显示出bulk Pd的结构，我们把显示方式改为Ball and Stick。在Pd 3D Model document中右键单击，选择Display Style，在Atoms标签中选择Ball and Stick，关闭对
话框。
现在使用CASTEP来优化 bulk Pd。为了减少计算量， 将晶胞转换为原胞。
(4). 把CO 分子添加到1 x 1 Pd(110)表面并优化此结构 现在的工作对象是(1x1) Co on Pd(110)文件夹内的结构。在Project Explorer 内，打开(1x1) CO on Pd(110)文件夹内的(1x1) CO on Pd(110).xsd 文件。现在把CO 分子添加到短桥键位置的上方。上一讲已根据实验事实来确 定了键的长度，这里直接使用已有的结构数据。
工作递交后，开始运行。结束后出现提示 信息。选择File / Save Project保存项目， Window / Close all关闭工作窗口 。
在Project Explorer中打开位于Pd CASTEP GeomOpt文件夹中的Pd.xsd， 显示的即为Pd优化后的原胞结构。由下面步骤恢复Pd优化后的晶胞结构。
点击选上碳原子，按下SHIFT 键，点击氧原子。 在Edit Sets 对话框里，点击New。在Define New Set 对话框里，输入CO DensityDifference， 按下OK。
第六讲第一原理计算方法简介及MaterialsStudio中Castep使用案例
Http Gateway Ftp
Module
parallel Windows Linux Linux IA32 IA64
Module
parallel Windows
Linux IA32
Linux IA64
Materials Visualizer Adsorption Locator Amorphous Cell Blends CASTEP and NMR CASTEP √
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。 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。
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。 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
初学Materials Studio-CASTEP问题整理
问题如下1.CASTEP caculation对话框中的TAST中的"Energy，Geometry Optimization,Dynamic, Elastic Constants"各有什么计算意义，尤其是Energy和Geometry的计算上的区别。
答：Energy指的就是单点能的计算，或则说能量的计算。
Geometry optimization指的是结构优化，而优化的依据主要就是能量，所以，在Geometry optimization的过程中，CASTEP在调整结构，每得到一个结构就会计算它的能量，最终找到一个能量最低的结构。
CASTEP在执行Energy和Geometry optimization计算时都会计算体系的能量，而我们知道，体系的所有性能，包括电子结构、力学性质、热力学性质、光学性质等等，所有我们在properties里面可以勾选的性质选项都是在体系能量确定之后得到的，所以在CASTEP的操作中，当你选择Energy或者Geometry optimization时，都可以同时在properties里面勾选要计算的性质，不过，当选择Geometry optimization时，程序计算的是优化得到的稳定结构所对应的性质。
CASTEP的TASK中还有一个properties的选项，这个选项是用来直接计算体系性质的，但前提是你已经做过Energy或Geometry optimization计算，体系的能量已经确定，这时候可以通过properties直接计算体系的各种性质，这个选项主要是为了方便使用者，不必每次计算性质都要从新计算体系的能量。
Dynamic是做动力学模拟，也就是基于牛顿运动方程研究体系中各个原子在指定热力学条件下如何运动，它与常说的分子动力学相比，最大的区别在于原子间相互作用是通过量子力学计算，或则说求解薛定谔方程确定的，而通常的分子动力学方法是通过基于经验参数的力场来描述原子间的相互作用。
Materials-Studio软件CASTEP模块知识分享
?能量本征值不发生变化?价电子波函数在rc外的分布不变?在rc处的电子波函数对数的倒数不变化只适用于周期性体系ks求解近似处理方法赝势castep将外层电子波函数通过平面波函数展开将原子实近似为新的核pseudowavefunctionpseudopotentialrclogo16ks求解近似处理方法赝势赝势设置?ultrasoftusp超软推荐用精度好效率高?normconservingncp模守恒拉曼光谱计算不支持usp选用ncp为了与已发表文献比较采用ncpms80之后新增加的onthefly精度最高推荐使用logoyxjxj1x1xn17动能截断energycutoffcastep中用平面波展开波函数截断能数值的高低控制平面波的数目截断能太低会影响计算结果的精度甚至正确性截断能过高会增大计算量降低计算效率
18
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
19
K点取样设置
Logo
Logo
27
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。
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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
19
K点取样设置
Logo
Logo
27
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。
【Materials_Studio】Castep说明
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。
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。
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。
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。
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定理1：多电子体系的基态总能量 是电子密度的唯一函数
定理2：电子密度确定，体系的基 态性质就唯一确定
多电子运动状态→电子密度分布状态
Logo
8
K-S方程自洽迭代求解过程
nstart(r) 生成KS势 求解KS方程
得到新nout(r) 和之前的n(r)比较
Logo
收敛与否 ?
Density Mixing:推 荐使用 All Bands/EDFT: 速度慢，占内存 。当使用DM计算 金属体系SCF不 收敛时推荐使用
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
CASTEP中用平面波展开波函数，截断能数值 (r)
的高低控制平面波的数目
C ei(kG)r
G i,kG
截断能太低会影响计算结果的精度甚至正确性，截断能过高会增大计算量，降 低计算效率。
y
x1 xj xj+1 xn
Logo
17
动能截断测试
以不同动能截断值为单一变量做收敛性测试，选取最优值
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
Logo
10
交换相关泛函-局域密度近似LDA
假设原子核外电子云均匀分布
Logo
3
矿物晶体结构搭建
• （2）自助搭建结构
对于结构库中没有的晶体结构，要从文献、XRD软件 标准卡片等资料中查找参数自行搭建。
如：AlAs晶体结构
空间群 F-43m（代号216） 晶格参数 a=b=c=5.6622Å α=β=γ=90o 原子占位 Al（0 0 0） As（0.25 0.25 0.25）
(r)
C ei(kG)r
G i,kG
赝势
Rc
有效的减少平面波数目
pseudo wave function pseudopotential
其合理性在于，采用赝势前后： 能量本征值不发生变化 价电子波函数在Rc外的分布
不变 在Rc处的电子波函数对数的
倒数不变化
只适用于周期性体系
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15
K-S求解近似处理方法-赝势
Logo
13
K-S求解近似处理方法-赝势
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
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14
K-S求解近似处理方法-赝势
CASTEP将外层电子波函数通过平面波函数 展开，将原子实近似为新的“核”dio软件CASTEP模块 ——架构原理及主要参数意义
主要内容
1 矿物晶体结构搭建 2 CASTEP整体架构、其中假设 3 CASTEP参数设置及其意义
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2
矿物晶体结构搭建
• （1）从MS数据库中引入结构
MS数据库中为用户提供了较为常见的结构模型：
Catalysts 催化剂 Ceramics 陶瓷 Glasses 玻璃 Metal-oxides 金属氧化物 Metals 金属 Minerals 矿物 Molecular-crystals 分子晶体 Nanotubes 纳米管
Organics 有机物 Polymers 聚合物 Repeat-units 重复单元 Semiconductors 半导体 Zeolites 沸石族
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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。
赝势设置
➢ Ultrasoft (USP) 超软 推荐用，精度好，效率高
➢ Norm-conserving (NCP) 模守恒 拉曼光谱计算不支持USP，选用NCP 为了与已发表文献比较，采用NCP
MS 8.0之后新增加的 On the fly 精度最高，推荐使用
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16
动能截断Energy cutoff
LDA适用的情况： （1）电荷密度变化缓慢的体系（如金属） （2）电荷密度较高的体系（如过渡金属） （3）适用于大多数晶体结构（对晶胞参数描述准确）
真实情况下原子核外电子并非均匀分布
LDA不适用的情况： （1）电子分布定域性较强，电荷密度分布不均匀（化学反应中的过度态） （2）体系束缚能绝对值估计不准确 （3）低估禁带宽度的绝对值（固有缺陷）
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5
矿物晶体结构搭建
注意：引入结构或网上查找参数及结构文件时，注意 识别需要的结构构型或数据，有的结构是人工合成 的或者经过高温、高压处理的，不能采用，如MS 库中的ZnO
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6
CASTEP整体架构、其中假设
CASTEP的整体构架就是基于密度泛函理论求解K-S方程的一种方法
基本物理性质
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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……
一般研究半导体材料采用，精度有所提高，但运算量是LDA和GGA的几十 到几百倍，在计算精度与计算时间二者中做出取舍，一般没有必要采用
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12
交换相关泛函的选择
虽然GGA方法弥补了LDA的缺陷，提高了计算精度，但也 很难说GGA一定优于LDA，不能说对于某一体系哪一种方法一 定适用。
实际使用过程中交换相关泛函的选择方法有两种： （1）阅读文献，根据他人已发表的成功经验直接选择， 这种方法最省时省力 （2）以交换相关泛函为单一变量做收敛性测试，与试验 结果比较，权衡计算精度与计算成本择优选用