训练7：-用第一性原理预测AlAs的晶格参数.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,训练,7:,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。,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.,。,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。,添加原子,:,选择菜单栏里的,Build|Add Atoms,。,使用对话框，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。选择,Atoms,标签栏。在,Element,文本框里，输入,Al,，然后按下,Add,按钮。,铝原子被添加到结构中,在,Element,文本框中，输入,As,。在,a,、,b,和,c,文本框分别输入,0.25,。按下,Add,按钮。关闭此对话框,。,原子被添加到结构中，对称算符被用来建立晶体结构中的剩下的原子。原子也会显示在相邻,元胞中，这描绘了,AlAs,结构的化学键的拓扑图像。,将外部原子被移走，并且晶体结构显示出来。可以把显示模式改为球棍模式。,3D Viewer,内的晶体结构是传统元胞，显示了晶格的立方对称性。,CASTEP,使用晶格的完全对称性，如果存在的话。,这样，每个元胞包含两个原子的原始晶格可被用来计算，这与包含了,8,个原子的传统晶格不同。,电荷密度、键长和每个原子的总能量将是一样的，而不管这个元胞是如何被定义的。,在元胞中使用了较少的原子，计算时间将被缩短。,右击结构文件，选择,Display Style,。在,Atom,标签栏上，选择,Ball and stick,选项。,模型文件显示为原始胞。,选择菜单栏里的,Build|Symmetry|Primitive Cell,。,2.,设置,CASTEP,计算任务,选择工具条中的,CASTEP,工具，然后选择,Calculation,。,CASTEP,的,Calculation,对话框显示为：,对结构进行几何优化,把,Task,改为,Geometry Optimization,，计算精度设置为,Fine,。,优化的默认设置是只对原子的坐标进行优化。然而，本例中，在对原子坐标进行优化的同时也要对晶格进行优化。,按下与,Task,相关的,More,按钮，勾选上,Optimize Cell,关闭此对话框。,当改变计算精度的时候，其他的参数也会自动作相应的变化。,选择,Properties,标签栏。,勾选上,Band structure,和,Density of states,。,在实时更新的时候，也可以指定工作控制选项,选择,Job Control,标签栏，按下,More,按钮。,在,CASTEP Job Control Options,对话框里，改变,Update interval,为,30.0 s,，关闭此对话框。,按下,Run,按钮，关闭对话框。,几秒钟后，一个新文件夹出现在,Project Explorer,内，该文件夹包含了所有的计算结果。,Job Explorer,显示了所有正在运行的工作的状态。它显示了很多有用的信息，包括服务器和工作代码。如果需要，也可以通过此来中止运行工作,.,在工作运行过程中，四个文件打开了。这些文件包含了晶体结构、在优化过程中的模型的更新，包含了工作设置参数和运行信息的状态文件，以及一个关于总能量和能量、应力、压力和位移为循环次数函数的图表。,当工作结束时，文件会被传回到客户端，这个视乎文件的大小而所需时间有所不同。,3.,分析计算结果,当结果文件被传输回来，会得到包含下列的数个文件：,AlAs.xsd,最后的优化结构,AlAs,Trajectory.xtd,-,一个轨迹文件，包含了每一步的结构,AlAs.castep,包含了优化信息的输出文本文件,AlAs.param,模拟所用输入参数,计算任何一个性质，都回产生,.,param,和,.,castep,文件。,在,AlAs,结构中，因对称性应力为,0,，但是压力的大小取决于晶格参数。这样，,CASTEP,就会努力去最小化系统的总能量和压力。因此，为保证计算能够合适地完成，选上压力收敛是非常重要的。,在,Project Explorer,内，点击,AlAs.castep,为当前工作文件。选择菜单栏里的,Edit|Find.,，输入“,completed successfully”,，按下,Find Next,按钮。,看到一个含有两行的表格，最后一列的每一行都显示为,Yes,，这表明计算成功地结束。,4.,与实验数据对比,从开始时创建晶胞，就知道晶格长度为,5.6622,。因此，可以把最小化后的晶格长度与初始的实验数据相比较。实验晶格长度是基于传统胞，而不是原始胞，因此需要加以转换。,双击,AlAs.xsd,使其为当前工作文件。从菜单栏里选择,Build|Symmetry|Conventional Cell,。,传统胞显示出来。有数种方法看到晶格长度，最简单的一种就是打开,Lattice Parameters,对话框。,右击模型文件，选择,Lattice Parameters,。,继续之前，需要保存工作，并关闭所有窗口。,选择菜单栏上的,File|Save Project,，然后是,Window|Close All,。,5.,可视化电荷密度,可以用,CASTEP,分析工具得到电荷密度。,从菜单栏里选择,CASTEP,，然后选择,Analysis,。选择,Electron density,选项。,有消息说没有什么结果文件，所有需要指定结果文件。,在,Project Explorer,内，双击,AlAs.castep,。,这将把结果文件和分析对话框关联起来；但是还需要指定一个,3D,文件来显示等密度面。,在,Project Explorer,内，双击优化后的,AlAs.xsd,文件。选择菜单栏里的,Build|Symmetry|Primitive Cell,。,CASTEP Analysis,对话框上的,Import,按钮现在是激活状态。,按下,Import,按钮。,等密度面叠加在结构上：,可以通过,Display Style,对话框来改变等密度面的设置。,右击该,3D,文件，选择,Display Style,，选择,Isosurface,标签栏。,Isosurface,标签显示：,这里可以改变不同的设置。,在,Iso,-value,文本框里，输入,0.1,，然后按,TAB,键。,注意等密度面是如何改变的。,把,Transparency,滑条向右移动。,向右移动,Transparency,滑条的时候，等密度面变得越来越透明。,在文件上移动鼠标，滚动模型。,当模型滚动的实户，等密度面变成点状显示以提高滚动速度。,通过,Display Style,对话框可以移走等密度面。,取消选择,Visible,选项，关闭,Display Style,对话框。,可以在任何时候通过勾选上,Isosurface,来显示等密度面。,6.,态密度和能带结构,能带结构图表显示了在布里渊区沿着高对称性方向电子能量对,k,矢的依赖性。这些图标提供了一个对材料的电子结构进行定性分析的非常有用的工具。举例来说，很容易就可以确定,d,和,f,态的窄带，这与类似于自由电子能带的,s,和,p,电子正好相反。,DOS,和,PDOS,图表给出了材料的电子结构的一个快速定性图像，有时候它们可以直接和实验光谱结果相关联。,CASTEP,的主要输出结果文件,AlAs.castep,包含了有限的能带结构和,DOS,信息，更多的详细信息包含在,AlAs_BandStr.castep,文件内。,选上,Band structure,。,从这个对话框可以看出，可以把能带结构和态密度信息显示在同一个图表中。当然，可以分别显示能带结构和态密度。,还可以借助,CASTEP,来计算很多其他性质，比如反射率和介电函数等等。,