第一性原理计算软件的使用.pptx

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1、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第1页/共40页1.Material Studio的界面1Material 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。除了主窗口外的三个窗口也可以通过View菜单来显示

2、和隐藏。项目窗口管理第一性原理计算的所有文件，包括原子模型，计算条件设定，计算结果等。属性窗口可用来显示和修改当前窗口中对象的属性。作业调度窗口显示正在进行的计算作业的状态，可以用来中断提交的计算。第2页/共40页Material Studio的界面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。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。Too

3、l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。第3页/共40页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。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

4、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。第4页/共40页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。第5页/共40页基态能量与电子结构的计算下面以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。第6页/共40页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Calculati

5、on选项，弹出计算条件设置对话框。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。第7页/共40页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。第8页/共40页基态能量与电子

6、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。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。第9页/共40页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。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

7、的表象可以在实空间（real 空间），也可以在倒易空间（Reciprocal space）。第10页/共40页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“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。第11页/共40页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

8、选到计算PDOS。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，可以计算光学性质，各种选项的与态密度计算相同。第12页/共40页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。第13页/共40页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

9、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。第14页/共40页自治计算收敛情况第15页/共40页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。第16页/共40页晶体结构驰豫在“Minimizer”选项卡上，可以设定几何优化的收敛条件，可以

10、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。第17页/共40页晶体结构驰豫在“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。第18页/共40页结构优化收敛过程第19页/共40页3 计

11、算结果分析计算结束后，就要对得到的大量数据进行分析，得到有用的结论。下面将演示如何从第一性原理计算得到的大量数据中得到我们需要的结果。Material Studio中的Visualizer提供了处理大部分第一性原理计算的方法。右图为BaTiO3结构优化完成后的界面。第20页/共40页主输出文件CASTEP模块计算的主输出文件是.castep，其中的是原子结构模型的名称，记录了计算的全部过程，包括出错信息。.castep首先列出了用于计算的所有参数，包括人工设定的和系统默认的，然后列出了体系的晶格参数，原子种类，采用的赝势，原子坐标等。列出计算中用到的K点，然后是对称性分析有约束条件。通过三个不

12、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。第21页/共40页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。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称性的限制没有变化。第22页/共40页主输出文件 Atomic Populations(Mulliken)Species Ion s p d f Total Charge(e)=O

13、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=在晶体中，因为没有明确的边界，每个原子的电荷数是没有很好定义，不同的方法得到不同的数值。第23页/共40页主输出文件 Hirshfeld Analysis（原子电荷分析）Species Ion Hirshfeld Charge(e)=O 1 -0.31

14、 O 2 -0.31 O 3 -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。第24页/共40页电子密度分布在“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。调整Display Style对话框中的isovalue选项卡中的isovalue值，就可以看到等高面的变化，也可以看剖面上的密度分布，详见实际演示。第25页/共40页DOS/PDOS分布图Ti原子第26页/共

15、40页DOS/PDOS分布图Ba原子第27页/共40页DOS/PDOS分布图氧原子第28页/共40页DOS/PDOS分布图Total DOS第29页/共40页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。第30页/共40页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。偏振光需要给出偏振方向，非偏振光需要给出入射方向。第31页/共40页介电常数第32页/共40页反射率第33页/共40页吸收系数第34页/共40页折射率第35页/共40页光导率第36页/共40页Loss Function第37页/共40页热力学性质-德拜温度第38页/共40页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，说明金属和绝缘体的区别。第39页/共40页感谢您的观看！第40页/共40页