訓練7:用第一性原理預測AlAs的晶格參數

背景：最近在密度泛函理論方法(DFT)應用于大周期系統的研究方面的進展在解決材料設計和加工上變得越來越重要。該理論允許對實驗數據進行解釋，測定材料的潛在性質等等。這些工具可以被用來指導新材料的設計，允許研究者了解潛在的化學和物理過程。本指南描繪了CASTEP是如何使用量子力學方法來測定材料的晶體結構，使用者將學會如何構建晶體結構，設定一個CASTEP幾何優化任務，然后分析計算結果。1.構建AlAs晶體結構構建晶體結構，需要了解空間群、晶格參數和晶體的內坐標等知識。對AlAs來說，空間群是F-43m，空間群代號為216。基態有兩個原子，Al和As的分數坐標分別為(0,0,0)和(0.25,0.25,0.25)，晶格參數為5.6622?.。建立晶格:

在ProjectExplorer內，右擊根目錄選擇New|3DAtomisticDocument。右擊該文件，將該文件重新命名為AlAs.xsd。從菜單欄里選擇Build|Crystals|BuildCrystal。BuildCrystal對話框顯示出來。點擊Entergroup輸入216，按下TAB按鈕。空間群信息更新為F-43m空間群。選擇LatticeParameters標簽欄，把值從10.00變為5.662。點擊Build按鈕。

一個空白的3D格子顯示在3DAtomistic文件里。添加原子:選擇菜單欄里的Build|AddAtoms。

使用對話框，可以在確定的位置添加原子。

在AddAtoms對話框上，選擇Options標簽欄。選擇Atoms標簽欄。在Element文本框里，輸入Al，然后按下Add按鈕。

鋁原子被添加到結構中

在Element文本框中，輸入As。在a、b和c文本框分別輸入0.25。按下Add按鈕。關閉此對話框。

原子被添加到結構中，對稱算符被用來建立晶體結構中的剩下的原子。原子也會顯示在相鄰元胞中，這描繪了AlAs結構的化學鍵的拓撲圖像。

將外部原子被移走，并且晶體結構顯示出來。可以把顯示模式改為球棍模式。

3DViewer內的晶體結構是傳統元胞，顯示了晶格的立方對稱性。CASTEP使用晶格的完全對稱性，如果存在的話。這樣，每個元胞包含兩個原子的原始晶格可被用來計算，這與包含了8個原子的傳統晶格不同。電荷密度、鍵長和每個原子的總能量將是一樣的，而不管這個元胞是如何被定義的。在元胞中使用了較少的原子，計算時間將被縮短。右擊結構文件，選擇DisplayStyle。在Atom標簽欄上，選擇Ballandstick選項。模型文件顯示為原始胞。選擇菜單欄里的Build|Symmetry|PrimitiveCell。

2.設置CASTEP計算任務選擇工具條中的CASTEP工具，然后選擇Calculation。CASTEP的Calculation對話框顯示為：

對結構進行幾何優化把Task改為GeometryOptimization，計算精度設置為Fine。優化的默認設置是只對原子的坐標進行優化。然而，本例中，在對原子坐標進行優化的同時也要對晶格進行優化。按下與Task相關的More…按鈕，勾選上OptimizeCell關閉此對話框。當改變計算精度的時候，其他的參數也會自動作相應的變化。選擇Properties標簽欄。勾選上Bandstructure和Densityofstates。在實時更新的時候，也可以指定工作控制選項選擇JobControl標簽欄，按下More…按鈕。在CASTEPJobControlOptions對話框里，改變Updateinterval為30.0s，關閉此對話框。按下Run按鈕，關閉對話框。幾秒鐘后，一個新文件夾出現在ProjectExplorer內，該文件夾包含了所有的計算結果。JobExplorer顯示了所有正在運行的工作的狀態。它顯示了很多有用的信息，包括服務器和工作代碼。如果需要，也可以通過此來中止運行工作.在工作運行過程中，四個文件打開了。這些文件包含了晶體結構、在優化過程中的模型的更新，包含了工作設置參數和運行信息的狀態文件，以及一個關于總能量和能量、應力、壓力和位移為循環次數函數的圖表。當工作結束時，文件會被傳回到客戶端，這個視乎文件的大小而所需時間有所不同。3.分析計算結果當結果文件被傳輸回來，會得到包含下列的數個文件：

AlAs.xsd–最后的優化結構

AlAs

Trajectory.xtd-一個軌跡文件，包含了每一步的結構AlAs.castep–包含了優化信息的輸出文本文件

AlAs.param–模擬所用輸入參數計算任何一個性質，都回產生.param和.castep文件。在AlAs結構中，因對稱性應力為0，但是壓力的大小取決于晶格參數。這樣，CASTEP就會努力去最小化系統的總能量和壓力。因此，為保證計算能夠合適地完成，選上壓力收斂是非常重要的。在ProjectExplorer內，點擊AlAs.castep為當前工作文件。選擇菜單欄里的Edit|Find...，輸入“completedsuccessfully”，按下FindNext按鈕。看到一個含有兩行的表格，最后一列的每一行都顯示為Yes，這表明計算成功地結束。4.與實驗數據對比從開始時創建晶胞，就知道晶格長度為5.6622?。因此，可以把最小化后的晶格長度與初始的實驗數據相比較。實驗晶格長度是基于傳統胞，而不是原始胞，因此需要加以轉換。

雙擊AlAs.xsd使其為當前工作文件。從菜單欄里選擇Build|Symmetry|ConventionalCell。傳統胞顯示出來。有數種方法看到晶格長度，最簡單的一種就是打開LatticeParameters對話框。右擊模型文件，選擇LatticeParameters。繼續之前，需要保存工作，并關閉所有窗口。選擇菜單欄上的File|SaveProject，然后是Window|CloseAll。

5.可視化電荷密度可以用CASTEP分析工具得到電荷密度。從菜單欄里選擇CASTEP，然后選擇Analysis。選擇Electrondensity選項。有消息說沒有什么結果文件，所有需要指定結果文件。在ProjectExplorer內，雙擊AlAs.castep。這將把結果文件和分析對話框關聯起來；但是還需要指定一個3D文件來顯示等密度面。在ProjectExplorer內，雙擊優化后的AlAs.xsd文件。選擇菜單欄里的Build|Symmetry|PrimitiveCell。CASTEPAnalysis對話框上的Import按鈕現在是激活狀態。按下Import按鈕。等密度面疊加在結構上：

可以通過DisplayStyle對話框來改變等密度面的設置。右擊該3D文件，選擇DisplayStyle，選擇Isosurface標簽欄。Isosurface標簽顯示：這里可以改變不同的設置。在Iso-value文本框里，輸入0.1，然后按TAB鍵。

注意等密度面是如何改變的。把Transparency滑條向右移動。向右移動Transparency滑條的時候，等密度面變得越來越透明。在文件上移動鼠標，滾動模型。當模型滾動的實戶，等密度面變成點狀顯示以提高滾動速度。通過DisplayStyle對話框可以移走等密度面。取消選擇Visible選項，關閉DisplayStyle對話框。可以在任何時候通過勾選上Isosurface

來顯示等密度面。6.態密度和能帶結構能帶結構圖表顯示了在布里淵區沿著高對稱性方向電子能量對k矢的依賴性。這些圖標提供了一個對材料的電子結構進行定性分析的非常有用的工具。舉例來說，很容易就可以確定d和f態的窄帶，這與類似于自由電子能帶的s和p電子正好相反。

DOS和PDOS圖表給出了材料的電子結構的一個快速定性圖像，有時候它們可以直接和實驗光譜結果相關聯。