中科大 Materials Studio 培训教程 5(包你学会)请将这一系列全看完,一定有收获。精讲

CASTEP概述
关于CASTAP CASTAP是特别为固体材料学而设计的一个现代的量子力学 基本程序，其使用了密度泛函(DFT）平面波赝势方法，进行第一 性原理量子力学计算，以探索如半导体，陶瓷，金属，矿物和沸 石等材料的晶体和表面性质。 典型的应用包括表面化学，键结构，态密度和光学性质等研 究， CASTAP也可用于研究体系的电荷密度和波函数的3D形式。 此外， CASTAP可用于有效研究点缺陷（空位，间隙和置换杂质） 和扩展缺陷（如晶界和位错）的性质。
CASTAP动力学任务
CASTAP动力学任务允许模拟结构中原子在计算力的影响下将如何移动。 在进行CASTAP动力学计算以前，可以选择热力学系综和相应参数，定义模拟 时间和模拟温度。
选择热力学系综
对牛顿运动定律积分允许探索体系恒值能量表面（NVE动力学）。然而，在 体系与环境进行热交换条件下发生最本质的现象。使用NVT系综（或者是确定性 的Nosé 系综或者是随机性的Langevin 系综）可模拟该条件。
CASTAP能量任务
CASTAP能量任务允许计算特定体系的总能量以及物理性质。
除了总能量之外，在计算之后还可报告作用于原子上的力；也 能创建电荷密度文件；利用材料观测仪（Material Visualizer)允许目测电荷密度的立体分布；还能报告计算中 使用的Monkhorst-Park的k点的电子能量，因此在CASTAP分析 中可生成态密度图。 对于能够得到可靠结构信息的体系的电子性质的研究，能量任 务是有用的。只要给定应力性质，也可用于计算没有内部自由 度的高对称性体系的状态方程（即压力-体积，能量-体积关 系）。
几何优化处理产生的 模型结构与真实结构紧密 相似。利用CASTAP计算的 晶格参数精度列于右图。
状态方程计算 在所施加静压力下几何优化可用于确定材料的体模量B和对压力 的导数B‘=dB/dP。过程包括计算理论状态方程（EOS），该方程描 述单胞体积与外部静压力的关系。工艺非常类似于真实实验：使 用几何优化对话框中的应力列表将外部压力固定。通过进行几何 优化可以找到在此压力下的单胞体积。随后的P-V 数据分析与实 验研究精确一致。描述EOS选择分析表达式，其参数适于计算数 据点。最流行的EOS形式是三阶Birch-Murnaghan 方程： P-V 式中V0 为平衡体积。Cohen 等进行了EOS各种解析式的的 详细比较研究。 注意：从相应实验中获得的B和B‘值依赖于计算使用的压力值范 围。利用金刚石压砧获得的实验值通常在0-30GPa范围内，因此 推荐理论研究也在这个范围内。在研究中避免使用负压力值也 很重要。此外，用于生成P-V 数据序列的压力值可能是不均匀 的，在低压力范围要求更精确采样以便获得体模量精确值。
注意：具有内部自由度的体系中，利用几何优化（Geometry Optimization)任务可获得状态方程。
CASTAP中能量的默认单位是电子伏特(eV)，各种能量单位的换 算关系见Mohr.P.J(2000). 1 eV=0.036749308 Ha=23.0605 kcal/mole=9随原子数平方的增加而增加。因此，建 议用最小的原胞来描述体系，可使用 Build\Symmetry\Primitive Cell菜单选项来转换成原胞。
* 计算设置：合适的3D模型文件一旦确定，必须选择计算类型 和相关参数，例如，对于动力学计算必须确定系综和参数，包 括温度，时间步长和步数。选择运行计算的磁盘并开始CASTAP 作业。 * 结果分析：计算完成后，相关于CASTAP作业的文档返回用 户，在项目面板适当位置显示。这些文档的一些进一步处理要 求获得可观察量如光学性质。 CASTAP中选择一项任务 1 从模块面板（Module Explorer)选择CASTAP\Calculation。 2 选择设置表。 3 从任务列表中选择所要求的任务。
CASTAP几何优化任务
CASTAP几何优化任务允许改善结构的几何，获得稳定结构 或多晶型物。通过一个迭代过程来完成这项任务，迭代过程中 调整原子坐标和晶胞参数使结构的总能量最小化。 CASTAP几何优化是基于减小计算力和应力的数量级，直到 小于规定的收敛误差。也可能给定外部应力张量来对拉应力、 压应力和切应力等作用下的体系行为模型化。在这些情况下反 复迭代内部应力张量直到 与所施加的外部应力相等。
CASTAP的任务
CASTAP计算是要进行的三个任务中的一个，即单个点的能量计算， 几何优化或分子动力学。可提供这些计算中的每一个以便产生特定的 物理性能。性质为一种附加的任务，允许重新开始已完成的计算以便 产生最初没有提出的额外性能。
在CASTAP计算中有很多运行步骤，可分为如下几组：
* 结构定义：必须规定包含所感兴趣结构的周期性的 3D模型文件，有 大量方法规定一种结构：可使用构建晶体（ Build Crystal)或构建真 空板(Build Vacuum Stab)来构建，也可从已经存在的的结构文档中 引入，还可修正已存在的结构。 注意： CASTAP仅能在3D周期模型文件基础上进行计算，必须构建超 单胞，以便研究分子体系。
Material Studio使用组件对话框中的CASTAP选项允许准备， 启动，分析和监测CASTAP服役工作。 计算：允许选择计算选项（如基集，交换关联势和收敛判据）， 作业控制和文档控制。 分析：允许处理和演示CASTAP计算结果。这一工具提供加速整体 直观化以及键结构图，态密度图形和光学性质图形。
几何优化方法 在默认条件下，CASTAP使用BFGS几何优化方法。该方法通 常提供了寻找最低能量结构的最快途径，这是支持CASTAP单 胞优化的唯一模式。 衰减分子动力学（ Damped molecular dynamics）方法是 另一种可以选择的方法，该方法对具有平滑势能表面的体系如 分子晶体或表面分子与BFGS同样有效。