materialstudio 使用经验总结
关于K 点
1.应当使用多少个k 网格?
很难一般地回答,只能给出一般建议。注意:一定要检查k 网格,首先用较粗糙的网格计算,
接下来用精细的网格计算。通过比较两次的结果, 决定选用较粗糙的网格, 或是继续进行更
精细网格的计算, 直到达到收敛。金属体系需要精细的网格, 绝缘体使用很少的k 点通常就
可以。小单胞需要精细格点, 大单胞很可能不需要。因此: 单位晶胞内原子数很多（比如
40-60个）的绝缘体,可能仅需要一个（移动后的）k点。另一方面,面心立方的铝可能需
要上万个k点以获得好的DOS对于孤立原子或分子的超晶胞，仅需要在
Gamm点计算。对
于表面（层面）的超晶胞计算,仅需要（垂直于表面）z方向上有1个k点。甚至可以增加
晶格参数c,这样即使对精细格点，沿z方向上也只产生一个k点（产生k 点后, 不要忘记
再把 c 改回）。
2.当体系没有出现时间反演对称操作时, 是否加入?
大多数情况下的回答是“是” , 只有包含自旋- 轨道耦合的自旋极化（磁性）计算除外。这
时, 时间反演对称性被破坏（+k 和-k 的本征值可能不同）, 因此决不能加入时间反演对称性。
3.是否移动k 网格?（只对某些格子类型有效）
“移动” k网格意味着把所有产生的k点增加x,x,x,把那些位于高对称点（或线）上的k
点移动到权重更大的一般点上。通过这种方法（也即众所周知的“特殊k 点方法” ）可以产
生等密度的,k 点较少的网格。通常建议移动。只有一点注意: 当对半导体的带隙感兴趣时
（通常位于Gamma,X或BZ边界上的其它点）,使用移动的网格将不会得到这些高对称性
的点,因此得到的带隙和预期结果相比或大或小。这个问题的解决:用移动的网格做SCF
循环，但对DOS计算，改用精细的未移动网格。
关于k 空间布点的问题, 建议参阅以下文献Phys.Rev.B 49,16223 1994 如何构建缺陷晶体结构
晶体结构改成P1, 然后去掉想抹去的原子就可以了
在ms中如何做空穴
对于金属缺陷, 是直接剪切一个原子?
个人经验：就是直接把原子去掉就0K;如果不是正版软件，有可能出现同时
去掉其他同位
置的原子,如果这种情况,就重新定义,问题就不会出现了.还有,一般考虑孔穴的时候,
都要标明哪些原子的迟豫, 具体为什么不知道, 国外的文献有提到. 希望有做空位的一起多
讨论.我Q：183876402
PDOS选项
计算DOS时,选择PDOS可以画出s,p,d 轨道的DOS,但无法画出某一个原
子的s,p,d 图
关于PDOS的Chart中求积分的问题
在用Castep计算出PDOS后，如何在Chart中对曲线局部进行积分？将Chart 输出为cav 格式,
然后在excel 中求和简单,把数据导出,在Origin 里作图,程序里有积分微分卷积功能, 在数据分析下面。作
图时选取积分范围。
优化结构
算能带一般需要优化结构。如果选择实验的参数, 全部固定的话就不需要了如何做二维电子密度图
MS结果文件夹中*.grd文件内存储的是三维空间各点的电荷密度值,利用这个数据就可以得
到二维的电荷密度等值线图, 应该有专门的软件能画, 不过用matlab 编自己编程序也不难, 其
中关键命令是contourslice, 实现在某一平面内绘制等高线
对DOS图的分析
根据DOS的积分曲线可以计算出,对于表面N和C原子,大约有16.8%和14.8%的电子态
b
集中在 4.0~2.0eV 的区域,而对体相原子则分别为 6.4%和 6.0%
表面吸附
我做H 在ZnO 上吸附。刚开始时后我构建的吸附构型忘记impose symmetry 了, Groupname 是P1 。
在第二次计算的时候我加上了symmetry 。
两次计算差别出来了：⑴ 首先是impose symmetry后,supercell 中的原子位置由原
来的现面跑到了上面, 也就是和真空层换了一下位置! 而且吸附原子竟然超出了supercell
的白色线框！(2)比较两次计算的DOS,一模一样；但是两次计算的Band Structure 却有很大差异!
回答：1) 只是显示问题
(2) Band Structure 有很大差异是指那种差异?使用不同对称性计算能带时默认计算
的K 点是不同的, 所以图像肯定不同。如果你确定是选择计算了同样的
点, 能带结构仍
然不同, 那可能是采用对称后结构变化导致的。如何计算结构中某一元素的分波
态密度
1.我最近看了关于氧气锌的论文, 上面有锌原子的分波态密度图,可是我怎么都没算出来,
一直得到氧和锌原子的分波态密度, 希望哪位大侠指教
2.在计算性质选择了计算density of state 是, 对话框下面有一个口calculate PDOS, 把它勾
选上,计算成功后,在分析就能看到总态密度和分态密度,随你选择。
3.按照楼上的指导计算成功后，需要哪个原子的PDOS就选中哪个原子，然
后在analysis
里DOS项前打勾‘partial 项打勾,再view 就ok 了。
有关能带分析
能带图分析能带图的横坐标是在模型对称性基础上取的K 点。为什么要取K 点呢?因为晶体的周期性
使得薛定谔方程的解也具有了周期性。按照对称性取K 点, 可以保证以最小
的计算量获得
最全的能量特征解。能带图横坐标是K点,其实就是倒格空间中的几何点。其中最重要也
最简单的就是gamma那个点，因为这个点在任何几何结构中都具有对称性，所以在castep
里,有个最简单的K点选择,就是那个gamma选项。纵坐标是能量。那么能带图应该就是
表示了研究体系中, 各个具有对称性位置的点的能量。我们所得到的体系总能
量,应该就是
整个体系各个点能量的加和。
记得氢原子的能量线吧?能带图中的能量带就像是氢原子中的每条能量线都拉宽为一个带。
通过能带图, 能把价带和导带看出来。在castep 里, 分析能带结构的时候给丿、才■、二^
定scissors 这
个选项某个值, 就可以加大价带和导带之间的空隙, 把绝缘体的价带和导带清楚地区分出来。
DOS叫态密度，也就是体系各个状态的密度，各个能量状态的密度。从DOS
图也可以清晰
地看出带隙、价带、导带的位置。要理解DOS,需要将能带图和DOS结合起
来。分析的时
候, 如果选择了full, 就会把体系的总态密度显示出来, 如果选择了PDOS,
就可以分别把
体系的s、p、d、 f 状态的态密度分别显示出来。还有一点要注意的是,如果在分析的时候
你选择了单个原子, 那么显示出来的就是这个原子的态密度。否则显示的就是整个体系原子
的态密度。要把周期性结构能量由于微扰裂分成各个能带这个概念印在脑袋
里。
最后还有一点, 这里所有的能带图和DOS 的讨论都是针对体系中的所有电子展
开的。研究
的是体系中所有电子的能量状态。根据量子力学假设, 由于原子核的质量远远大于电子, 因
此奥本海默假设原子核是静止不动的, 电子围绕原子核以某一概率在某个时刻出现。我们经
常提到的总能量, 就是体系电子的总能量。
这些是我看书的体会,不一定准确,大家多多批评啊!如何分析第一原理的计算结果
转自:////0>. 转自量化网////. ------------- 摘要: 本文总结了
对于第一原理计算工作的结果分析的三个重要方面, 以及各自的若干要点用第一原理计算软件开展的工作, 分析结果主要是从以下三个方面进行定性/ 定量的讨论:1 、电荷密度图(charge density);2 、能带结构(Energy Band Structure);3 、态密度(Density of States, 简称DOS)。
电荷密度图是以图的形式出现在文章中,非常直观,因此对于一般的入门级研究人员来讲不
会有任何的疑问。唯一需要注意的就是这种分析的种种衍生形式, 比如差分电荷密图
(def-ormation charge density) 和二次差分图(difference charge density) 等等, 加自旋
极化的工作还可能有自旋极化电荷密度图(sp in-polarized charge density）。所谓“差分”是
指原子组成体系（团簇）之后电荷的重新分布, “二次”是指同一个体系化学
成分或者几何构
型改变之后电荷的重新分布, 因此通过这种差分图可以很直观地看出体系中个原子的成键情
况。通过电荷聚集（accumulation）/ 损失（depletion）的具体空间分布, 看成键的极性强
弱; 通过某格点附近的电荷分布形状判断成键的轨道（这个主要是对 d 轨道的分析, 对于s
或者p 轨道的形状分析我还没有见过）。分析总电荷密度图的方法类似, 不过相对而言, 这
种图所携带的信息量较小。能带结构分析现在在各个领域的第一原理计算工作中用得非常普遍了。但是因为能带这个概
念本身的抽象性, 对于能带的分析是让初学者最感头痛的地方。关于能带理论本身, 我在这
篇文章中不想涉及,这里只考虑已得到的能带, 如何能从里面看出有用的信
息。首先当然可
以看出这个体系是金属、半导体还是绝缘体。判断的标准是看费米能级和导带（也即在高对
称点附近近似成开口向上的抛物线形状的能带）是否相交,若相交,则为金属, 否
则为半导
体或者绝缘体。对于本征半导体,还可以看出是直接能隙还是间接能隙: 如果
导带的最低点和价带的最高点在同一个k 点处, 则为直接能隙, 否则为间接能隙。在具体工作中, 情况要
复杂得多, 而且各种领域中感兴趣的方面彼此相差很大, 分析不可能像上述分
析一样直观和
普适。不过仍然可以总结出一些经验性的规律来。主要有以下几点:1) 因为目前的计算大多采用超单胞(supercell) 的形式, 在一个单胞里有几十个原子以及上百个电子, 所以得到的能带图往往在远低于费米能级处非常平坦, 也非常密集。原则上讲,
这个区域的能带并不具备多大的解说/ 阅读价值。因此, 不要被这种现象吓住
一般的工作
中, 我们主要关心的还是费米能级附近的能带形状。
2)能带的宽窄在能带的分析中占据很重要的位置。能带越宽, 也即在能带图
中的起伏越大,
说明处于这个带中的电子有效质量越小、非局域(non-local) 的程度越大、组成这条能带的
原子轨道扩展性越强。如果形状近似于抛物线形状, 一般而言会被冠以类sp 带(sp-like band)
之名。反之, 一条比较窄的能带表明对应于这条能带的本征态主要是由局域于
某个格点的原
子轨道组成,这条带上的电子局域性非常强, 有效质量相对较大
3)如果体系为掺杂的非本征半导体, 注意与本征半导体的能带结构图进行对比, 一般而言
在能隙处会出现一条新的、比较窄的能带。这就是通常所谓的杂质态doping state, 或者
按照掺杂半导体的类型称为受主态或者施主态。
4)关于自旋极化的能带, 一般是画出两幅图:majority spin 和minority
spin 。经典的说,
分别代表自旋向上和自旋向下的轨道所组成的能带结构。注意它们在费米能级处的差异。如
果费米能级与majority spin 的能带图相交而处于minority spin 的能隙中, 则此体系具有明
显的自旋极化现象, 而该体系也可称之为半金属(half metal) 。因为majority spin 与费米
能级相交的能带主要由杂质原子轨道组成, 所以也可以此为出发点讨论杂质的磁性特征。
5)做界面问题时,衬底材料的能带图显得非常重要, 各高对称点之间有可能出现不同的情
况。具体地说,在某两点之间,费米能级与能带相交;而在另外的k 的区间上, 费米能级正
好处在导带和价带之间。这样, 衬底材料就呈现出各项异性:对于前者, 呈现金属性, 而对
于后者, 呈现绝缘性。因此,有的工作是通过某种材料的能带图而选择不同的面作为生长面。
具体的分析应该结合试验结果给出。(如果我没记错的话, 物理所薛其坤研究
员曾经分析过
$\beta$-Fe 的100和111面对应的能带。有兴趣的读者可进一步查阅资料。) 原则上讲, 态密度可以作为能带结构的一个可视化结果。很多分析和能带的分析结果可以一
一对应, 很多术语也和能带分析相通。但是因为它更直观,因此在结果讨论中
用得比能带分
析更广泛一些。简要总结分析要点如下:1) 在整个能量区间之内分布较为平
均、没有局域尖峰的DOS对应的是类sp带,表明电
子的非局域化性质很强。相反，对于一般的过渡金属而言,d轨道的DOS一般是一个很大
的尖峰, 说明 d 电子相对比较局域, 相应的能带也比较窄。
2)从DOS图也可分析能隙特性：若费米能级处于DOS值为零的区间中,说明该体系是半
导体或绝缘体；若有分波DOS跨过费米能级，则该体系是金属。此外,可以画出分波(PDOS)
和局域(LDOS)两种态密度，更加细致的研究在各点处的分波成键情况。
3)从DOS图中还可引入“贋能隙” (pseudogap)的概念。也即在费米能级两侧分别有两
个尖峰。而两个尖峰之间的DOS并不为零。贋能隙直接反映了该体系成键
的共价性的强弱：越宽，说明共价性越强。如果分析的是局域态密度(LDOS),那么赝能隙反映的则是相邻两
个原子成键的强弱:赝能隙越宽,说明两个原子成键越强。上述分析的理论基
础可从紧束缚
理论出发得到解释: 实际上, 可以认为赝能隙的宽度直接和Hamiltonian 矩阵的非对角元相
关, 彼此间成单调递增的函数关系。
4)对于自旋极化的体系, 与能带分析类似, 也应该将majority spin 和minority spin 分别
画出,若费米能级与majority 的DOS相交而处于minority 的DOS的能隙之中, 可以说明
该体系的自旋极化。
5)考虑LDOS,如果相邻原子的LDOS在同一个能量上同时出现了尖峰，则
我们将其称之
为杂化峰(hybridized peak), 这个概念直观地向我们展示了相邻原子之间的作用强弱。
以上是本人基于文献调研所总结的一些关于第一原理工作的结果分析要点。期冀能对刚进入
这个领域内的科研工作者有所启发。受本人的水平所限, 文章的内容可能会有理论上的不足
甚至错误之处, 希望大家指出, 共同发展第一原理计算物理的方法和研究内
=希=望大家多读几遍
////.
看看人家用castep 怎样选择赝势和K 点的关于出错信息的解读( 对自己解决问题有帮助）
Geomrtry Optimization 时,到77 步（共100 步）就没有反应,我等了一天终于把它停止了,
文件中有下列出错信息, 请大侠帮忙解读一下。精度是Fine, 之前在coarse 下可以24 步就
完成。
1、Warning: There are no empty bands for at least one kpoint and spin; this mayslow the convergence and/or lead to an inaccurate groundstate
If this warning persists, you should consider increasing nextra_bandsand/or reducing smearing_width in the param file
Recommend using nextra_bands of 6 to 122 、BFGS: Warning - Repeated consecutive reset of inverse HessianBFGS: without satisfying convergence
criteria whichBFGS: looks like BFGS has run out of search directions BFGS: Warning - Lets try allowing some uphill steps and see ifBFGS:
we can get around this barrier
BFGS:Warning - It is possible that the system maynowconverge toBFGS: a stationary point OTHER than the desired minimum
BFGS: Hint - this may be an indication that either:BFGS: a you are using a poor guess at geom_frequency_estBFGS: and/or geom_modulus_est, or BFGS: b you are using unrealistic convergence criteria
BFGS: Suggest therefore that you consider changing them!
3、energies not corrected for finite basis set
什么意思?要修改那些参数??
回答：你可以在property 中的SCF增加empty ba nd 和减小smeari ng 来试试关于结合能形成能的问题
我不太明白形成能结合能和总能之间的关系?是否可以指教
回答:举例来说吧。对于Si 块体材料,通过CASTEP计算得到的能量就叫总能。
如果你想把它切开, 得到(100) 面, 通过添加真空层构建一个spercell, 计算得到的也叫
总能。刚才对于Si 块体材料的总能乘上系数再减去Si(100) 面总能这就是
Si(100) 面的形
成能。乘上的系数保证他们的原子总数一致。
结合能: 如果在Si100 面上吸附了一个Mn 原子(假如你关心磁性) , 和原来一样计算
出总能后, 减去Si100 面的总能再减去Mn 原子的总能, 得到的就是
binding energy 那位高手能够介绍一下MS中CASTEP勺势能模型的适用范围？
比如说LDA 的(PWC,VWN),GGA 的
(PW91,BP,PBE,BLYP,B0P,VWN-BP,PRBE,HCT能),
够简述一下其大致差别更好LDA局域密度近似(LDA):局域密度近似(LDA)是第一阶梯。它仅仅采用空间点r 处的电
子密度n(r) 来决定那点交换-相关能密度的形式。交换-相关能密度由密度
相同的均匀电子
气完全确定。泛函的交换部分就准确的用均匀电子气的微分表达。各种不同的局域密度近似
(LDA)仅仅是相关部分表示方法不同，所有现代应用的局域密度泛函都基于Ceperly 和
Alder's在80年代对均匀电子气总能量的Monte Carlo模拟。广义梯度近
似(GGA):GGA是Jacob阶梯的第二个台阶,将电子密度的梯度也作为一个独立的变量(|?nr|), 在描述交换-相关能方面,梯度引入了非定域性。GGA 泛函包
含了两个主要的方向: 一个称为“无参数” , 泛函中新的参数通过已知形式中参数或在其它准
确理论帮助下得到。另外一个就是经验方法, 未知参数来自于对实验数据的拟和或通过对原
子和分子性质准确的计算。Perdew,Burke and EmzerhofPBE 以及
Perdew-Wang from
1991PW91是无参数的,在量子化学中广泛采用的GGA, 比女口
Becke,Lee,Parr and
Ya ngBLYP!经验性。LYP校正采用了密度的二阶Lap lace算符,因此严格上
讲属于Jacob
阶梯的第三阶，但通常仍然归类为GGA(见后面英文介绍)请问：在用CASTE计算材料空位缺陷时,如何才能实现只取一个空位呢
在build 下的symtrey 有make P1
make supper cell
然后就可以删去一个原子了
正常的话如果晶体是原胞, 直接删除一个原子可能造成很大影响
可以建大一点的超晶胞比如 2 X 2X 2超晶胞然后删掉一个原子,这样比较
合理,
毕竟缺陷浓度是很低的。
*都可以啊!先看一下show symmetry是P1就可以直接删一个，如果不是就换成P1, 一
般make supercell 后自动变成P1 了, 你可以根据自己所需的浓度选择其中一种方式
MS无法收敛
请大家帮忙看看了, 掺杂Eu 的体系, 一开始提示增加empty band, 减小smear, 都做了, 把精度
设置到coarse, 可最后还是在100 轮后提示无法收敛*Warning* . SCF cycles performed but system has not reached the groundstate
Current total energy, E -10141.84970726 eV
Current free energy E-TS -10141.84970726 eV
energies not corrected for finite basis set
NB est. 0K energy E-0.5TS -10141.84970726 eV******************************************************** Warning: electronic minimisation did not converge during finite basis set
Checkpoint file cannot be writtenError calculate_finite_basis
Convergence failed when doing finite basis set correctionError
calculate_finite_basis : Convergence failed when doing finite basis set
********************************************************
Warning: electronic minimisation did not converge during finite basis set
********************************************************
Checkpoint file cannot be written[1] MPI Abort by user Aborting
program !
[1] Aborting program!
[0] MPI Abort by user Aborting program !
[0] Aborting program!
回答:1. 增加 smearing 容易收敛 , 但是太大可能结果会有些问题。
2. 增加循环的圈数 ,
3. 增加空带数目 ,
4. 体系有自旋单电子的 , 要设置自旋极化 , 如果设置非自 旋极化, 可能不收敛
5. 如果是金属体系 , 比较难收敛 , 可以试试修改 k 点和 empty band 试试
看。1. 几何优化可以在多大范围内改变原子的位置啊 ?感觉每次优化后的位置调 整不是很多
啊?
2. 大家在算能带和态密度的时候的时候是用单点能计算给出能带还是几何 优化给出能带
correction correction
回答: 问题 1
几何优化的目的是寻找压力最小的几何结构, 原子位置改变不多是因为你建的构形比较合
理,比如直接从软件数据库中导入的结构在0 压力下改变很小, 如果加个压力就会变化大一
些。
问题 2
一般都是优化的时候算, 如果你想算特定构形的能带或其它性质,就可以用单点能; 【表面模拟】castep 计算中遇到的几个问题PW91 Perdew-Wang generalized-gradient approximation Perdew and Wang 1992
BPBecke exchange plus Perdew correlation Becke 1988, Perdew and Wang 1992 PBE Perdew-Burke-Ernzerhof correlation Perdew et al. 1996RPBE Revised PBEfunctional by Hammeret al. Hammeret al. 1999HCTHHamprecht, Cohen, Tozer and Handy functional Boese and Handy 2001BLYPBecke exchange plus Lee-Yang-Parr correlation Becke 1988, Lee et al. 1988BOP Becke One Parameter functional Tsuneda et al. 1999VWN-BP BP functional with the local correlation replaced by the VWN functionalVosko et
al. 1980, Becke 1988, Perdew and Wang1992VWN:The Vosko-Wilk-Nusair VWN functional is the most popular LSD correlation
potential. It uses a fit to accurate numerical results by Ceperly and
Alder of a uniform
electron gas. Ceperley and Alder performed quantum Monte Carlo
calculations on a
uniform electron gas at low and high spin limits for several electron densities. VWN uses
the Pade interpolation procedure to fit the CA results for both the
para and ferro states and
for low and high densities. DMol3 uses the best VWN so called "Fit" parameters
PWC: The Perdew-Wang PWC functional is a recent parameterization of
the Ceperley and
Alder data, which corrects someVWNproblems with fitting. PWCis the default functional
for DMol3 calculations
The local spin-density LSD approximation accurately predicts structures, vibrations, and
relative energies of covalent systems; however, bond energies are
seriously overestimatedThe local DFTshould not be used for systems with weak bonds, such as hydrogen bondsThese problems with the LSD methodcan be corrected to a large extent by using the
so-called gradient-corrected or nonlocal functionals
P91, BP, BLYP, BOP: DMol3 supports several nonlocal exchange and
correlation functionalsThe most popular, the Becke exchange functional
B88 is used in conjunction with the
Perdew-Wang correlation functional BP or the Lee-Yang-Parr correlation functional BLYPTheso-called generalized gradient corrected GGA functional, by Perdew and Wang P91
was derived by considering low and high density regimes and by enforcing various
summation rules
PBE: The PBE Perdew, Burke and Enzerhof functional 1996, 1997 is another GGA
functional in which all the parameters other then those in its LDA component are
fundamental constants. The exchange part of this functional is similar to the Becke formula
1986, and the correlation part is close to the Perdew-Wangfunctional 1986.This
functional has a strong physical background, reliable numerical performance and it is
frequently used in DFT calculations
RPBE: More recently, Hammer, Hansen and Norskov 1999 proposed a modified version of
the PBE formula that improves considerably thermochemical results.