第一性原理计算软件的使用
ABINIT中文教程
ABINIT中文教程ABINIT是一个自由、开源、强大的第一性原理计算软件包，广泛应用于固体材料、分子物理和纳米材料等研究领域。
本教程将简要介绍ABINIT的基本原理和使用方法，包括输入文件的编写、计算参数的设置以及结果的分析等内容。
ABINIT基于密度泛函理论(DFT)和平面波基组，使用周期性边界条件模拟固体和分子体系的电子结构和物理性质。
用户需要先准备一个输入文件，该文件中包含了系统结构、计算参数和所需的物理性质等信息。
ABINIT通过解Kohn-Sham方程计算电子波函数和电荷密度，然后根据这些信息计算能带结构、态密度、光学性质等物理量。
在"Header"块之后是"Atoms"块，用于描述体系的原子结构。
用户需要提供每个原子的种类、坐标和原子数目等信息。
要注意的是，坐标可以是晶体坐标或直角坐标，具体取决于计算模式。
接下来是"Kpoints"块，用于设定k点网格的参数。
k点网格决定了计算精度和效率，用户可以根据需要自由选择k点的数目和分布方式。
常用的选择方式包括均匀分布和自适应密度分布等。
然后是"Electrons"块，用于设置关于电子结构计算的一些参数。
其中包括自洽迭代的收敛条件、布里渊区采样数目以及电子自旋等。
用户可以根据需要设置这些参数以达到较高的计算精度。
在输入文件的最后，我们可以指定一些附加任务和输出项，如计算能带结构、态密度、光学性质和力学性质等。
ABINIT提供了丰富的输出选项，用户可以根据需要进行设置。
在准备好输入文件之后，我们可以运行ABINIT来进行计算。
ABINIT有多种运行方式，包括串行计算和并行计算。
用户可以根据计算机平台和性能选择适合自己的方式。
在计算过程中，ABINIT会生成一系列中间文件和输出文件，用户可以根据需要查看和分析这些文件。
最后，我们需要对计算结果进行分析和解释。
ABINIT提供了一些脚本和软件来处理和可视化输出文件，如计算能带结构、态密度和光学吸收谱等。
castep过渡态计算
castep过渡态计算
CASTEP是一个用于计算材料的第一性原理密度泛函理论的软件包。
它可以对材料的结构、能带、光学性质等进行计算和分析。
要进行过渡态计算，你可以按照以下步骤进行操作：
1. 准备初始和最终状态的几何结构：首先，你需要准备两个状态的初始几何结构，分别代表起始状态和最终状态。
这些结构可以是从实验数据、文献中获取的，或者通过其他软件进行预测得到的。
确保这些结构已经进行了几何优化，并且能够代表所研究的材料。
2. 运行CASTEP进行能量最小化计算：使用CASTEP对起始状态和最终状态的几何结构进行能量最小化计算。
这将通过优化原子位置来找到使体系能量最低的结构。
在计算过程中，可以选择不同的交换-相关泛函和赝势，以及设置收敛准则和计算参数。
3. 计算过渡态：在得到了起始和最终状态的能量最低结构之后，你可以使用插值方法计算过渡态。
这可以通过在两个状态之间插入中间结构，并依次进行能量最小化计算来实现。
在插值过程中，可以使用线性插值、NEB（nudged elastic band）方法等。
4. 分析结果：完成过渡态计算后，你可以分析过渡态的能垒、反应路径等性质。
这将有助于理解反应机理和动力学过程。
需要注意的是，过渡态计算可能涉及一些复杂的计算和模拟技术，需要一定的理论基础和计算经验。
此外，不同的材料系统和反应类型可能需要使用不同的方法和策略来进行过渡态计算。
因此，在具体操作之前，建议你深入了解相关理论和方法，并参考CASTEP软件包的
文档和教程。
castep计算拉曼光谱
castep计算拉曼光谱
CASTEP是一种基于密度泛函理论的第一性原理计算软件，可以用于计算材料的电子结构、晶体结构、能带结构等物性。
虽然CASTEP主要用于电子结构计算，但它也可以计算材料的振动特性，包括拉曼光谱。
要使用CASTEP计算拉曼光谱，以下是一般的步骤：
1.准备输入文件：首先，您需要准备一个CASTEP的输入文件，通常是以.cell或.mol 格式存储的材料结构描述文件。
该文件应包含所研究材料的晶胞参数、原子坐标和元素类型等信息。
2.设置计算参数：在输入文件中，您需要设置一些计算参数，以控制拉曼光谱计算的精度和速度。
这些参数包括计算方法、波函数基组、赝势、k点网格等。
对于拉曼光谱计算，您还需要指定频率和极化方向。
3.运行CASTEP计算：将准备好的输入文件输入到CASTEP程序中，并运行计算。
CASTEP将基于设定的参数对材料进行电子结构计算和振动计算。
4.分析结果：完成计算后，您可以从CASTEP的输出文件中提取拉曼光谱数据。
拉曼光谱数据通常以频率和散射强度的形式给出。
您可以进一步分析和解释这些数据，以获得关于材料的振动特性和结构信息。
需要注意的是，计算拉曼光谱是相对复杂和计算密集的任务，需要较高的计算资源和相关知识。
因此，在使用CASTEP计算拉曼光谱之前，建议您熟悉CASTEP软件的基本操作和原理，并确保您具备足够的计算能力和资源支持。
另外，根据您研究的具体材料和问题，可能还需要进行其他预处理和后处理步骤，以获得更准确和有意义的结果。
1。
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。
dmol3计算键级
dmol3计算键级全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：DMol3 是一种广泛使用的第一性原理计算软件，被广泛应用于固体、分子和表面科学研究领域。
在化学研究中，键级是一个非常重要的概念，可以帮助科学家理解分子之间的相互作用和反应机制。
在DMol3 中，计算键级是一项常见的任务，通过对键级的计算，可以为科学家提供有价值的信息，帮助他们更好地理解化学反应过程。
需要了解什么是键级。
在化学中，键级是描述两个原子之间共享电子密度的强弱程度的一个概念。
在分子中，键级决定了分子的稳定性和化学性质。
通常情况下，键级可以通过键长、键角、键能等参数来描述。
在DMol3 中，通过计算这些参数，可以得到较为准确的键级信息。
DMol3 可以计算不同类型的化学键，如单键、双键、三键等，还可以计算多原子分子间的键级。
在计算键级时，通常需要考虑原子之间的距离、角度和电子密度等因素，这些因素都可以通过DMol3 进行精确的计算。
通过这些计算，科学家可以得到不同分子之间的相互作用方式，从而更好地理解化学反应的机制。
DMol3 还可以计算键级的能量变化，这对于理解化学反应的动力学过程至关重要。
在化学反应中，键的形成和断裂都会释放或吸收能量，这些能量的变化可以影响反应的速率和热力学稳定性。
通过DMol3 的计算，科学家可以准确地预测键的能量变化，从而更好地理解化学反应的过程。
除了计算键级的能量变化，DMol3 还可以提供一系列与键级相关的参数，如键角、键长、键弯曲角等。
这些参数可以帮助科学家更准确地描述分子的结构和化学性质，为化学反应的研究提供更多的信息。
第二篇示例：DMol3是一种基于密度泛函理论的计算程序，可以用来研究分子的结构、电子性质和化学反应。
在化学领域中，计算键级是一个重要的概念，它描述了分子中化学键的强度和性质。
在本文中，我们将介绍如何使用DMol3来计算键级，并探讨其在研究中的应用。
让我们简要介绍一下密度泛函理论。
密度泛函理论是一种基于量子力学的计算方法，通过求解分子中的电子波函数来描述分子的结构和性质。
castep计算大分子
castep计算大分子CASTEP是一种基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算软件，广泛用于材料科学领域。
对于大分子的计算，CASTEP也可以提供有效的解决方案。
下面我将从多个角度回答你关于CASTEP计算大分子的问题。
1. 大分子模型的建立：在CASTEP中，大分子模型的建立通常需要从分子结构文件开始。
你可以使用分子编辑器（如Avogadro、VMD等）或者化学绘图软件（如ChemDraw、Gaussian等）来创建或导入分子结构文件。
然后，你可以使用CASTEP的输入文件格式（.cell或.castep）来描述分子的几何结构、晶胞参数等。
2. 计算参数的选择：对于大分子的计算，一些关键的计算参数需要特别关注。
首先是选择合适的泛函和基组，常用的泛函包括LDA、GGA等，而基组可以选择从小到大的一系列基组进行测试。
此外，还需要设置合适的计算精度，如收敛准则、k点网格密度等。
这些参数的选择需要根据具体的研究目的和计算资源进行权衡。
3. 计算的并行性：对于大分子的计算，由于计算量较大，通常需要利用并行计算的能力来加速计算过程。
CASTEP支持多种并行计算方式，如共享内存并行（OpenMP）、分布式内存并行（MPI）等，可以根据计算资源的情况选择合适的并行方式进行计算。
4. 计算结果的分析：CASTEP计算完成后，你可以通过分析计算结果来获得关于大分子的各种物理和化学性质的信息。
例如，你可以获得分子的几何构型、电子结构、能带结构、密度分布等信息。
此外，你还可以计算和分析分子的振动谱、光谱性质等。
5. 计算结果的验证：对于大分子的计算，验证计算结果的正确性是非常重要的。
你可以通过与实验结果的比较来验证计算的准确性。
例如，可以比较计算得到的分子结构与实验测量的结构的差异，或者计算得到的能带结构与实验测量的光电子能谱的对比等。
总之，CASTEP是一个强大的计算工具，可以用于大分子的计算。
在进行大分子计算时，需要合理选择计算参数、充分利用并行计算能力，并对计算结果进行准确性验证。
第六讲第一原理计算方法简介及Materials Studio中Castep使用
高分子与介观模拟 MS.Synthia MS.Blends MS.DPD MS.MesoDyn MS.MesoPro
Visualizer:图形化建模模块 可构建计算的模型：晶胞，分子，晶体表面， 纳米结构，聚合物等
TiO2(111)
锐钛矿TiO2
Pt(110)-CO(2x1)
碳纳米管
TiO2纳米棒
密度泛函理论
Hohenberg-Kohn第一定理指出体系的基态能量仅仅是电子密度 的泛函。 Hohenberg-Kohn第二定理证明了以基态密度为变量，将体系能 量最小化之后就得到了基态能量。 根据以上两定理，将薛定谔方程转变为Kohn-Sham 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）
√
√
√ √
√
√ √
√
Reflex-Powder Indexing Reflex-Powder Refinement Reflex Plus
√
√ √
√
√ √
√
√
Discover
DMol3 DPD
√
√
√
√ √
√
√ √
√ Reflex QPA
√ Sorption √ Synthia
√
√ √
√
√
Equilibria
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
第一性原理计算软件的使用
主输出文件
Hirshfeld Analysis（原子电荷分析）
Species Ion Hirshfeld Charge (e)
================================
O
1
-0.31
O
2
-0.31
O
3
-0.31
Ti
1
0.53
Ba
1
0.40
==================================
基态能量与电子结构的计算
在Electrtonic选项卡上，大部分的参数由前面的选 择自动给出，可以不改。具体的可以按“More”按钮 进行进一步设定。
电子结构计算的设定共有四个选项卡，分别为Basis， SCF，K-point和Potential。
精品课件
基态能量与电子结构的计算
电子结构计算设定的Basis选项卡 上，可以设定基组的能量截断值， 也即基组的大小。
在Potential选项卡上，可以选 择赝势参数。赝势的类型有二 种：Norm-Conserving和 Ultrasoft。势的表象可以在实 空间（real 空间），也可以在 倒易空间（Reciprocal space）。
精品课件
基态能量与电子结构的计算
Properties选项卡用来选取在第一性原理的计算中要计 算的物理量。每几物理量还有对应的参数可以选择。
点击“More”按钮后，出现几何 结构优化参数的具体设定对话框， 共有三个选项卡Minimizer, Options和Stress。
精品课件
晶体结构驰豫 在“Minimizer”选项卡上，可 以设定几何优化的收敛条件， 可以按等级自动给出，也可以 指定具体数值。
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晶体结构驰豫
• 在“Stress”选项卡上，可 以设定晶体受到的应力，可 以计算晶体在高压下的性能 。
• 应力可以设定为3x3的张量 ，也可以是等静压。
• 其他设定与基态能量设定相 同。在计算时选进行结构优 化，达到最佳晶体结构后， 就可以接着计算电子结构和 物理性能。
结构优化收敛过程
3 计算结果分析
晶体结构驰豫
• 在“Minimizer”选项卡上，可 以设定几何优化的收敛条件， 可以按等级自动给出，也可以 指定具体数值。
• 缺省的最大迭代数是100，可 以根据需要进行修改。
• 可以设定是否要优化晶格参数 。
• 在晶胞可变时有二种基组大小 设定的方法：固定基组大小或 固定基组品质。
• 在“Options”选项卡上，可以 选取算法，CASTEP中只有二 种算法可选：BFGS和 DampedDM。
• Material Studio的主界面是一种典型的图形化界面，包 括菜单栏，工具栏，主窗口，项目(Project)窗口，属性 (Properties)窗口和作业调度(Jobs)窗口。
• 工具栏中的工具条的数量可以通过View菜单来调整， 工具条的位置可以通过工具条来拖放；对当前窗口不 起作业的工具条呈灰色状态。
下面以ZnO为例，显示基态能量计算的方 法，以及得到的电子结构和物理性质的结 果。计算步骤如下：
1. 导入模型：从CASTEP提供的原子结构 中导入ZnO的原子结构文件，如图所示。
基态能量与电子结构的计算
2. 设置计算参数：按CASTEP模块下的Calculation选项 ，弹出计算条件设置对话框。
• 点击“More”按钮后， 可以进一步设定K点的 取值，或者指定交换关 联函数。
• 点击“Optical Properties”后，可以计
基态能量与电子结构的计算
• 可以计算极化率、红外与Raman谱。， 系统类型可以是晶体、分子。如左下图 所示。
• 也可以计算占据数，可以计算每个能带 的占据数。
• Build菜单可用来构建原子结构模型，调整晶体结构的 对称性等。
• Tool菜单提供了一些常用的小工具，帮助处理计算中 的一些问题。
• Module列出了Material Studio中所有的模块，以及对 他们的操作。
Material Studio的界面
• 主窗口是一个多文档窗口，可以容纳其他各种窗口， 如原子结构窗口，各种图表窗口，文本窗口等。
• 在Potential选项卡上，可以选 择赝势参数。赝势的类型有二 种：Norm-Conserving和 Ultrasoft。势的表象可以在实 空间（real 空间），也可以在 倒易空间（Reciprocal space ）。
基态能量与电子结构的计算
• Properties选项卡用来选取在第一性原理的计算中要计 算的物理量。每几物理量还有对应的参数可以选择。
• 对于BaTiO3，晶格常数从4.01000变到 4.00636 ，原子在晶胞中的相对位置受到对
主输出文件
Atomic Populations (Mulliken) • Species Ion s p d f Total Charge (e) • ========================================
计算材料学
3.第一性原理计算软件的使用 2013年8月30日
本课提纲
本节课将以Material Studio中的CASTEP模块为例，向 同学位介绍第一性原理的使用方法。 • Material Studio的界面 • 基态能量与电子结构的计算 • 晶体结构驰豫 • 计算结果分析
1. Material Studio的界面1
• File菜单用来进行项目管理，包括新建，打开和保存项 目和窗口，导入、导出原子结构模型和其他文件。
• View菜单用来调整界面上工具条和窗口的显示和隐藏 ，可以根据需要进行调整。
• Modify可以用来调整个原子结构，如修改原子，成键 ，化学键杂化状态，调整电荷和电子态，设定原子运 动的约束条件。
基态能量与电子结构的计算
• 在“Job Controal”选项卡上，可以设置作业如何在服 务器上运行。
• “Gateway location”是指在哪台计算机上运行，在本机 上运行就选“My Computer”。
• “Run in parallel on”是指要用几个进程来进行计算。 双核超线程的计算机上可以选4个进程。
• 通过三个不同的截断能量计算得到的基态能量值，估 算基组引起的修正值。
主输出文件
• 开始结构优化的大循环，每个循环步聚中 都要计算电子结构的自治计算，得到基态 能量和应力张量。调整晶体中原子的位置 和晶格常数。
• 根据得到的能量变化和应力张量，调整晶 体中原子的位置和晶格常数。
• 当满足收敛条件时，结构优化结束，得到 优化的晶格常数，原子位置。
点击“Band Structure”后， 下面出现能带计算的参数，如 空带数量，K点网格。
点击“More”按钮后出现更 细的选项，如指定交换关联函 数，和设定K点路径。
点击“Path”按钮，就可以得 到在布里渊区路径的对话框。 可以增加或减少能带结构的路 径。
基态能量与电子结构的计算
• 点击“Density of States”之后，出现态 密度计算的选项，可以 选到计算PDOS。
自治计算收敛情况
晶体结构驰豫
• 晶体结构豫是第一性原理计算 中经常需要进行的计算，目的 在于找到能量最低的基态。
• 要进行晶体结构的驰豫，在 “CASTEP Calculation”对话框 的“Setup”选项卡上的 “Task”下拉框中选取 “Geometry Optimization”。
• 点击“More”按钮后，出现几 何结构优化参数的具体设定对 话框，共有三个选项卡 Minimizer, Options和Stress。
• 可以设定FFT变换的网格的密度 。
• 设定基组修正的方法。
• 在SCF选项卡上，可以设定SCF 计算的收敛判据，如能量变化量 ，循环次数；
• 还可以设定电荷密度混合的参数 和方法。点击“More”按钮有更 多的选项。
基态能量与电子结构的计算
• 在K-points选项卡上，可以设 定K点的选取参数，只计算 Gamma点，由Quality等级自 动给出，指定间隙，或直接指 定网格的数量。还可以设定原 点的漂移。
能带结构
• 可以得到能带结构图。 带隙1.88eV。直接带隙 。
• 比实验值小，是DFT的 固有缺点。
光学性质
• 通过第一性原理计算得到 电子结构后，可以计算物 质的光学性质，包括介电 常数，反射率，吸收率， 折射率，光导率，和Loss Function。
• 可以计算偏振光，非偏振 光，和多晶体的光学性质 。
O2
-0.31
O3
-0.31
Ti 1
0.53
Ba 1
0.40
==================================
另一种原子电荷的分析方法得到的结果。在晶体中几乎 没有一种方法能够得到名誉上的电荷数。
电子密度分布
• 在“CASTEP analysis”对话框中选取“Electron density”，然后点击 Import按钮后，就可以通过“Volume Visulization”工具条观察电子密度的 分布了。
在Setup选项卡上： • 在Task下拉框中选择Energy，
表示计算基态能量； • 在Quality下拉框中选择
Ultra-fine，代表高精度的计 算； • 在Functional下拉框中选择交 换关联函数，现在选取GGA 和PBE； • 因为ZnO是不带电的非磁性 的绝缘体，下面的几个复选 框可以不选。
• 各种不同类型的窗口激活不同的工具条，而激活的工 具条可以对窗口进行操作。
• 属性菜单显激活窗口中选中元素的属性。可以显示属 性值，也可以进行修改
• 可以用Window菜单对主窗口进行操作，如各种排列方 式，图标化显示，关闭窗口等。
• 在原子结构窗口，按住鼠标左键用于选取原子结构图 中的单元，如原子，键等，按住鼠标右键拖动可以对 模型进行旋转，以便更好地观察。
• 可以用测量工具测量原子结构中的原子间距，夹角， 扭角等。
Material Studio的界面
主窗口中三种窗口 ：
• 原子结构窗口 • K空间窗口，显
示了与原子结构 对应的K空间的 单胞和计算能带 结构的路径。
• CASTEP计算的 主输出文件，列 出了计算参数， 计算过程，大部 分的算结果。
基态能量与电子结构的计算
• 偏振光需要给出偏振方向
介电常数
反射率
吸收系数
折射率
光导率
Loss Function
热力学性质-德拜温度
作业
• 选取一种金属材料（如铜，铝等），一种 绝缘体材料，分别用利用第一性原理计算 其DOS分布图和能带结构图，说明
• 在Electrtonic选项卡上，大部分的参数由前面的选择 自动给出，可以不改。具体的可以按“More”按钮 进行进一步设定。
• 电子结构计算的设定共有四个选项卡，分别为Basis ，SCF，K-point和Potential。
基态能量与电子结构的计算
• 电子结构计算设定的Basis选项 卡上，可以设定基组的能量截断 值，也即基组的大小。
= • O 1 1.84 4.90 0.00 0.00 6.74 -0.74 • O 2 1.84 4.90 0.00 0.00 6.74 -0.74 • O 3 1.84 4.90 0.00 0.00 6.74 -0.74 • Ti 1 2.35 6.58 2.12 0.00 11.04 0.96 • Ba 1 2.07 5.98 0.69 0.00 8.74 1.26 • ========================================