材料设计与计算模板 - 图文

子轨道基函数展开时，Kohn-Sham化为下列形式：

?????12????Vr?r?dr?r???????????i?2?i?r?r??j(?i) (1-30)

??j?r???2?dr???*?r?????r?ji???r??E?j(?i)?r??r??j??i?i?r?它是分子轨道的自洽场方程，是非线性方程，只能用迭代方法求解。

二． CASTEP软件的使用方法： 1、模型的建立方法：

打开软件，点击file，选择new，则出现下图：

图2.1

其中有多个选项，可以选择3D Atomistic，点击确定，打开一个工作窗口。

图2.2

确定空间点群，选择lattice Parameters，就可以建立晶体结构。 最后选择加入原子：选择built---Add Atoms

图2.3

在原子相应位置上添加原子，就可以建立计算模型。 以NaCl为例，重复上述过程就可以建立如图所示模型：

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图2.4

2、计算任务的设置：

在materials studio软件中行任务设置，主要是通过CASTEP应用窗口中的工具条之一“Calculation”来进行。我们可以更改工具框中的相应选项，来配置诸如：“电子选项”、“结构优化选项”、和“电子和结构性质选项”等。这几个选项是我们在运用CASTEP进行性质计算研究中，非常重要的几个技术参数。其中，“电子选项”是很多其它计算任务也要涉及的。在CASTEP中还有如动力学、结构优化、弹性常数、过渡态等计算的设置。在程序运行之前，从研究的问题出发，要将软件中关键的一些任务参数设置成符合计算需

要的值，我们才能得到所期望的运算结果。

图2-5

(1)设置电子选项

在利用CASTEP做有关能量、动力学、结构优化、弹性常数、过渡态等计算时，必须对电子选项进行设置。在电子选项中主要有以下方面的设置： a、精度设置

表2.1

如表2.1所示，主要分为差、中等、好、超好四个等级。在涉及SCF收敛精度、K点取样精度、截断能等的设置时都要进行适当的选取。

b、交换-关联函数的设置CASTEP提供了两种交换-关联函数的设置，一种是局域密度近似(LDA),它使用的是CA-PZ形式的赝势，是引Ceperley,D.M.;Alder,B [10]和Perdew,J.P.;Zunger[11]采用的赝势形式。另外一种是广义梯度近似(GGA)，它有三种形式可供选择，分别是PBE[9]、RPBE[8]、PW91[7],对应的是三种不同的广义梯度近似形

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式。以上两种交换-关联函数LDA和GGA及其对应的可选形式是通过”CASTEP

Calculation”中的“Setup”选项来进行配置，如图2-6和2-7所示,改变其中”Functional”的类型和每一类型对应的函数产生形式，即可得到相应的设置。在我们做结构优化任务时,选择的是广义梯度近似(GGA)下的PBE形式的关联函数，如图2-7所示。

图2-6 LDA设置 图2-7 GGA设置

c、赝势的设置

在这里我们介绍在CASTEP中设置Ultrasoft赝势和Norm-conserving赝势这两种赝势，它们有各自的优势，Norm-conserving赝势一般适用于金属体系，列如我们设置Ultra-soft赝势。设置的方法是在”CASTEP Calculation”中的“Electronic”选项中，在“Pseudopotential”的下拉框来进行选择。如图2-8所示。

图2-8赝势的设置

d、截断能的设置

CASTEP中分子轨道是通过平面波基来扩展。平面波基的数目是通过截断能的高低来控制，选择的截断能过低会影响计算的结果的正确性，而选择的过高会影响计算量。因此，在计算中要选取合适的截断能。一般情况下，在计算前可以选取几个截断能来试验，哪个更合适，在保证计算精度的前提下选择尽可能低的截断能。因此，截断能是CASTEP计算中最重要的参数之一。

设置截断能的最简单方式是在”CASTEP Calculation”中的

图2-9 截断能的设置

“Electronic”选项中选择”more”,然后在对话框中选择”Basic”,在“Use custom energy

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cut-off”中填入欲设置的值（图2-9）。

e、 K点设置

布里渊区抽样的设置：

布里渊区的设置是通过K点的设置来反映的。在K点的设置中，使用的是按Monkhorst-Pack表格在倒格矢空间的划分。

图2-10 K点的设置

适当的选择k点对于达成精确度与效率的平衡是很重要的。预设Monkhorst-Pack点是在给绝缘体的0.1E-1到给金属的0.05E-1之间，这是因为金属系统需要更好的取样。如此通常就能产生足够的点数。例如传统硅晶胞所需的2X2X2，应该检查增加一个，直到建议出来的奇数值Monkhorst-Pack参数能更为有利。我们必须推荐用k点取样的增加来减低有限基底集的修正并促使在一个固定能量下晶体松弛更加精确。设置的方法是在”CASTEP

Calculation”中的“Electronic”选项中选择”more”,然后在对话框中选择”k-point”。在”k-point”的选项中又有几种方式。第一种是只取Gamma点，这对于计算体系具有较大的原子数目并且对称性低的情况下可以考虑。第二种是按精度(Quality)来选择，它有三个等级，分别是“course”、”medium”、“fine”。这三个等级对应着不同的Monkhorst-Pack点。比如在做结构优化任务时一般精度都要选择“fine”一等级。第三种是可以给定k点的间隔，这样也就定下了在布里渊区中k点的设置。第四种是直接给定沿着超原胞倒格矢空间三个基矢a、b、c的k点取值，如在图2-10中显示的3X3X10。

(2)、结构优化任务的设置：

结构优化是CASTEP计算中经常要进行的计算任务，特别是想要计算所关注体系的各种性质的时候，必须首先进行结构优化的计算，在得到结构优化结果文件以后，才能进行性质的计算。所以，正确的设置结构优化的参数是非常重要的。在CASTEP软件中，有四个参数来控制结构优化的收敛参数，它们如表2.2所示：

表2.2

第一个是能量的收敛精度，单位为eV/atom，是体系中每个原子的能量值；第二个是作用在每个原子上的最大力收敛精度，单位为eV/A第三个是最大应变收敛精度，单位为GPa；第四个是最大位移收敛精度，单位为A。这些收敛精度指的是两次迭代求解之间的差，只有当某次计算的值与上一次计算的值相比小于设置的值时，计算才停止。设置的方法是在”CASTEP Calculation”中选择“Setup”选项，再在”Task”选项中选择“Geometry 12