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中科大 Materials Studio 培训教程

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中科大 Materials Studio 培训教程13(包你学会!)请将这一系列全看完,一定有收获。

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选择Job Control标签，设定本地机运算。 按下CASTEP Calculation对话框中的Run按钮。
优化之后，此结构的晶胞参数应为a=b=c=2.574Å。现在我们可以继
续计算优化结构的弹性常数。
或按右键显示
2. 计算BN的弹性常数
BN CASTEP GeomOpt/BN.xsd处 于激活状态。选择CASTEP Calculation对话框中的Setup标签， 从Task的下拉清单中选择Elastic Constants。 按下More...按钮，CASTEP Elastic Constants对话框见右图。 将Number of steps for each strain由4增加为6，按Run运行。 CASTEP 的弹性常数计算任务的 结果以一批 .castep 输出文件的形式 给出。这些文件中的每一个文件都 代表确定的晶胞在假设的应变模式 和应变振幅下的几何优化运行结果。 这 些 文 件 的 命 名 约 定 为 ： seedname_cij__m__n 。 对 于 给 定 的 模式来说，m 代表当前的应变模式， n代表当前的应变振幅。
6
仅取一种应 变模式
CASTEP可以使用这些结果来分析每一个运行计算出来的压力张量，产生 一个有关弹性性质的文件。 从工具栏中选择 CASTEP 工具，然后选择 Analysis 或者从菜单栏 中选择Modules | CASTEP | Analysis。 从属性清单中选择Elastic constants，从BN 的弹性常数计算工作中得到的结果文件BN.castep应 自动显示在Results file选框中。按下Calculate按 钮。计算结束后产生一个新的文档BN Elastic Constants.txt。 此文档中的信息包括： *输入的应变和计算出的应力的总结 *每一种应变模式线性拟合和拟合质量的计算结果 *给定对称性下计算出的应力与弹性常数之间的对应 *弹性常数Cij和弹性柔量Sij的表格 *导出量：体积模量和其倒数、压缩系数、杨氏模量、 Poisson比、 Lame 常数(用于模拟各向同性介质)

中科大MaterialsStudio培训教学课件

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此时按下 ALT key 单击鼠标左键，则出现一个具有 with resonant bonds 的 芳香环aromatic ring)
Sketch Atom 按钮 可以画任意元素的原子，默认画碳原子。下面要将双碳 原子侧链接到环上。
在绘图工具栏(Sketch toolbar) 上单击Sketch Atom 按钮 ，松开，然后鼠 标移动到环的3D文档中，这时鼠标看起来象一只“铅笔”。将“铅笔”移到环的一 个碳原子上，这个碳原子变蓝。左键单击此碳原子，将键连接到该原子上。移动“ 铅笔”并在3D的合适位置单击左键，设置另一个碳原子。键自动加在此碳原子与环 之间。将“铅笔”移到另一位置，双击左键，又画出一个碳原子。这样就作出了连 到碳环上的一个双碳原子链。
选择相应的对象单击
* 在TON 结构上单击选中的原子此原子颜色改变，说明被选中
* 单击一个键此键的颜色改变，说明被选中
键被
选中
原子被选中
* 按住鼠标左键沿斜线托拽，可以选择一定区域内的所有对象，包括原子和键
此区域的 原子和键 都被选中
* 在结构中的某个原子或键上双击鼠标可以选择整个结构 * 在3D Viewer 上无TON 结构的地方单击或双击鼠标则取消对象的选择。 * 需要将结构保存为project的一部分时，单击3D Viewer 的 ，再按 Yes 按钮。 * File / Save Project ，Windows / Close All
To monitor and adjust distances
下面建造苯甲酰胺结构：
1. 生成新的3D文档 在菜单上选择File / New并且选择3D Atomistic 后单击OK此时文件名称出现在左
侧的Project Explorer 中，名称为3D Atomistic.xsd，在其上单击鼠标右键，选择 Rename ，将名称改为my-benzamide。

中科大MaterialsStudio培训教程

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上；在Job Description 一栏里打上TS.
按下Run 按钮.关闭DMol3 Calculation 对话框.
等待计算完毕.
Note：在计算期间,数个不同的文
件和一个LST/QST 图显示在工作
区.它们报告了计算的状态.特别地,
通过显示energy vs. LST、 QST
和CG (conjugate gradient,共轭梯
过渡态(能量鞍点)
反应势垒
反应物
反应能
产物
反应坐标
用LST/QST 搜索过渡态
目的: 介绍如何使用 DMol3 和 Reaction Preview 工具进行过渡态搜索的计算.
对简 单反应,这种方法是有效的.
模块: Materials Visualizer, DMol3
前提: 用局域内坐标对固体进行结构优化.
步就是打开一个新的3D Atomistic界面,构建反应物乙烯醇(vinyl alcohol).
在这工具栏里的New button,选择3D Atomistic.
在Sketch
工具条上，点击Sketch Atom 按钮
。 将鼠标移至
3D Atomistic界面，连续点击三次鼠标，画三个连接的
碳原子。按一下键盘上的ESC 键。
几何优化文件夹包含了.xtd 文件,这是能量最小化过程中的轨迹文件,可以显示
几何优化过程.下面演示反应物的结构优化过程.从reactant Energies.xcd图中可以看
出,反应物经过12步才优化结束,我们可以看到每一步结构的变化.
在Project中双击reactant.xtd文件，
动画显示工具按钮Animation
在几秒钟内,一个名为

-Materials-Studio-培训教程

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一般选中某个原子后，在Modify 菜单下的Modify Element 中选择Oxygen或其它原子来改变原子类型。
点击Modify Element 按钮 右侧的箭头，在下拉选项中选择 Nitrogen，则碳原子变为氮原子。 在3D Viewer的任意位置点击左键，取消原子选择。
Atom 栏：用 Line、Stick、Ball and stick、 CPK和 Polyhedron display styles 显示zeolite Theta-1 的结构。最后将显示方式改为 CPK 。
Lattice 栏： Display style:显示单个晶胞或者原胞。 Range：显示在X、Y、Z 方向上晶胞的数量。 Lattice:显示晶胞边界的风格。 用 None、Dashed line、Line和 Stick styles显示zeolite Theta-1 的结构。 注意3D Viewer边框的变化 。 将显示固定在Line。
作业1：指出哪门课讲到Kekulé结构？哪门课讲到Resonant结构？
9. 监控和调整原子间距离
在MS Studio 中，可以使用绘图工具栏(Sketch toolbar)中的 Measure/Change 工具，对任意结构中的原子间距、键角和扭转角进行监控和调整。
* 移动鼠标到O原子上，O原子变蓝后，单击鼠标左键，O原子上出现十字叉丝。
可以通过程序自动加氢而不需要单独的为每个原子加上合适的氢原子。
8. 将分子的凯库勒式转化为共轭结构
Materials Studio的 Bond Calculation 工具很方便地进行 Kekulé 和 resonant 两种 bonding representation 之间的转换(在共轭结构和凯库勒式之间进行转化)。

中科大MaterialsStudio培训教程13(包你学会!)请将这一系列全看完,一定有收获。

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1. 优化BN立方晶体的结构 在计算弹性常数之前并不一定要进行几何优化，可以由实验观测到的 结构计算出Cij数据。尽管如此，如果我们完成晶胞的几何优化，可以获得 更多相容的结果，进而计算与理论基态对应的弹性常数。 弹性常数的精确度，尤其是切变常数的精确度，主要取决于SCF计算的 品质，特别是布里渊区取样和波函数收敛程度的品质。所以我们设置SCF、 k点取样和FFT格子的精度为Fine。 首先导入BN结构 在 菜 单 栏 中 选 择 File/ Import ， 从 structures/semiconductors 中 选 中 BN.msi ， 按 Import 按 钮 ， 输入BN的晶体结构，见右图。 为了节省计算时间，由 Build / Symmetry / Primitive Cell将此 conventional representation 转化为primitive representation.
按下more按钮，选中Optimize cell。 关闭CASTEP Geometry Optimization对话 框。
选 择 Electronic 标 签 ， 按 下 More... 按 钮 以 得 到 CASTEP Electronic Options 对 话 框 。 把 Derived grid 的 设 置 从 Standard 改 为 Fine 。 关 闭 CASTEP Electronic Options对话框。
736.57379 125.20883 125.20883 0.00000 0.00000 0.00000 125.20883 736.57379 125.20883 0.00000 0.00000 0.00000 125.20883 0.00000 0.00000 125.20883 0.00000 0.00000 736.57379 0.00000 0.00000 0.00000 424.93974 0.00000 0.00000 0.00000 424.93974 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 424.93974

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msi ?
2.调整显示方式 在 3D Viewer 上按右键，出右键菜单，选 Display Style ，Display Style 对话
框中的各选项的意义如下：
Atom 栏： Display Style: Line：线状模型。 Stick：棍状模型。 Ball and stick：球棍模型。 CPK：球堆砌模型。 Polyhedron：多面体堆积模型（晶体）。
3. 在此可改变模块和 图示工具的设置值。 初学者慎用。
在layer builder中试 试。
二. 打开并且观察3D 文档 目的: 介绍Materials Studio 中文档 documents 的概念 模块: Materials Visualizer 前提: 已生成一个Project
Materials Studio 使用了多种类型的文件，如3D Atomistic and Mesoscale、 text、chart、 HTML、 study table、grid、script、 和 forcefield documents。在 后面进行计算时，这些文件将逐个显示在projects中，反映了计算的过程。 现在 的教学中, 主要出现的是 3D Atomistic 类型的文件。
3D Viewer工具栏
通过选择相应的工具并在3D 结构上拖动来改变结构视图。 Rotate:旋转结构视图。使用三键鼠标，右键是旋转操作。 Zoom:向上或者右侧拖动可以增大所选结构的视图；向下或者向左侧拖动会缩小所 选结构的视图。使用三键鼠标，也可用鼠标上的滚轮进行3D结构的放大、缩小。 Translation:将结构沿着不同的方向平移。 对于三键鼠标来说，左键执行所选操作，右键则是旋转操作，同时按下左健和右键 则会完成缩放操作。此外还可以将键盘和鼠标联用来完成上述操作。

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。

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提示： CASTAP计算所需时间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。
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。
目的: 介绍CASTEP中的结构优化， 使用立体可视化工具显示等值面 模块: Materials Visualizer, CASTEP 前提: 使用晶体建模工具 背景 密度泛函理论 (DFT)在周期性大尺度材料上应用的进展，对材料设计和加工 越来越重要。该理论使得研究者能对实验数据进行解释；并从未知晶体的结构性 质、结合能和表面分子的活动性确定材料的本征性质。这些理论工具可用于指导 新材料的设计，帮助研究者了解内在的化学和物理过程。 引言 本指南介绍了CASTEP是如何使用量子力学方法来确定材料的晶体结构，使用者 将学会如何构建晶体结构，设定一个CASTEP几何优化任务，然后分析计算结果。 内容 1. 构建AlAs的晶体结构 2. 设置并进行CASTEP计算 3. 分析结果 4. 比较计算的结构参数和实验数据 (1)图示电荷密度 (2)图示态密度和带结构

中科大MaterialsStudio培训教程5包你学会!请将这一系列全看完,一定有收获

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前面的添加原子操作也可用下面图标来实现。这里 不再重复。
单击此图标，出 现添加原子Add Atoms 对话框。 选择原子名称， 输入分数坐标， 按Add，则原子 添加到晶体结构 图中。重复操作， 直到添加完晶胞 中的所有原子。 关闭Add Atoms 框。
* 从上面的AlAs晶体结构看出，近邻晶胞中的原子也显示出来。这种
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。
用第一原理预测AlAs的晶格参数
目的: 介绍CASTEP中的结构优化， 使用立体可视化工具显示等值面 模块: Materials Visualizer, CASTEP 前提: 使用晶体建模工具
背景 密度泛函理论 (DFT)在周期性大尺度材料上应用的进展，对材料设计和加工
越来越重要。该理论使得研究者能对实验数据进行解释；并从未知晶体的结构性 质、结合能和表面分子的活动性确定材料的本征性质。这些理论工具可用于指导 新材料的设计，帮助研究者了解内在的化学和物理过程。
* 应力：计算应力张量，并写入seedname.castep 文档。
如果要进行单胞参数固定时进行几何优化运行和要检查点 阵偏离平衡的程度，这些信息是有用的。例如，可进行符合于 给定体系理论基态的固定单胞的点缺陷的超晶胞研究。几何优 化后的应力值显示了与超单胞近似相关联的弹性效应。
注意：为计算某种性质，从适当模拟得到的结果文档必须以当 前的文件夹形式出现。

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

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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。
引言 本指南介绍了CASTEP是如何使用量子力学方法来确定材料的晶体结构，使用者
将学会如何构建晶体结构，设定一个CASTEP几何优化任务，然后分析计算结果。
内容 1. 构建AlAs的晶体结构 2. 设置并进行CASTEP计算 3. 分析结果 4. 比较计算的结构参数和实验数据
(1)图示电荷密度 (2)图示态密度和带结构
用第一原理预测AlAs的晶格参数
目的: 介绍CASTEP中的结构优化， 使用立体可视化工具显示等值面 模块: Materials Visualizer, CASTEP 前提: 使用晶体建模工具
背景 密度泛函理论 (DFT)在周期性大尺度材料上应用的进展，对材料设计和加工
越来越重要。该理论使得研究者能对实验数据进行解释；并从未知晶体的结构性 质、结合能和表面分子的活动性确定材料的本征性质。这些理论工具可用于指导 新材料的设计，帮助研究者了解内在的化学和物理过程。
（1/4 3/4 1/4）
（3/4 3/4 3/4）
(1/2 1/2 0) （3/4 1/4 1/4）
（0 1/2 1/2） (1/4 1/4 3/4)
(0 0 0）
(1/2 0 1/2)
As: (3/4 3/4 3/4）= (1/4 1/4 1/4）
构建一个晶体结构，需要知道该晶体的空间群、晶格参数和晶体的内坐 标。对AlAs 来说，空间群是F-43m，空间群代号为216。原胞有两个原子， Al 和As 的分数坐标分别为(0, 0, 0)和(0.25, 0.25, 0.25)，晶格参数为 5.6622 Å.。

中科大 Materials Studio 培训教程 1(包你学会!)

中科大 Materials Studio 培训教程 1(包你学会!)
Amorphous Cell
Blends
√
ONETEP
√
√
√√
√√
Polymorph
√ √ √ QMERA
√√
QSAR and QSAR Plus
√
√
√
√
√
√
CASTEP and NMR CASTEP
√
Reflex-Pattern √ √ √ Processing and
Powder Diffraction
晶体材料的性质半导体陶瓷金属分子筛等表面和表面重构的性质表面化学电子结构能带及态密度声子谱晶体的光学性质点缺陷性质如空位间隙或取代掺杂扩展缺陷晶粒间界位错成分无序等
计算材料学
引言：
➢ 计算机越来越便宜，功能却越来越强大。
➢ 试验费用趋向于越来越昂贵（时间和金钱）。
➢ 如果计算机模拟能在某种程度上提供足够的进度，
√
COMPASS
CCDC
Conformers Discover DMol3 DPD Equilibria Forcite Gaussian GULP
2021/8/9
MesoDyn
√
√
√
√
Reflex-Powder Indexing
√√
Reflex-Powder Refinement
√√
Reflex Plus
2021/8/9
Phys. Rev. B, 2003, 67, 245404
19
实例6. Study of the Effect of Alloying on the Surface Reactivity of Catalysts
The CASTEP simulations resulted in the following :
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使用CASTEP计算BN的弹性常数
目的： 使用 CASTEP 计算弹性常数 模块： Materials Visualizer, CASTEP 前提： 已使用first principles预测了AlAs的晶格常数
背景: 当前，可应用于大周期性体系的密度泛函理论（DFT）取得了显著的
进展，已经成为解决材料设计、加工中难题的有效方法。人们依据这个理 论可以使解释实验数据，预测新晶体的结构、结合能和表面活性等基本性 质。这些工具可以用来指导设计新材料，允许研究人员理解基本的化学和 物理过程。 绪论:
结构计算出Cij数据。尽管如此，如果我们完成晶胞的几何优化，可以获得
更多相容的结果，进而计算与理论基态对应的弹性常数。
弹性常数的精确度，尤其是切变常数的精确度，主要取决于SCF计算的 品质，特别是布里渊区取样和波函数收敛程度的品质。所以我们设置SCF、 k点取样和FFT格子的精度为Fine。
首先导入BN结构
n代表当前的应变振幅。
仅取一种应 变模式
6
CASTEP可以使用这些结果来分析每一个运行计算出来的压力张量，产生
一个有关弹性性质的文件。
从工具栏中选择CASTEP
工具，然后选择Analysis或者从菜单栏
中选择Modules | CASTEP | Analysis。
从属性清单中选择Elastic constants，从BN 的弹性常数计算工作中得到的结果文件BN.castep应 自动显示在Results file选框中。按下Calculate按 钮。计算结束后产生一个新的文档BN Elastic Constants.txt。
在 菜 单 栏 中 选 择 File/
Import
，
从
structures/semiconductors 中
选 中 BN.msi ， 按 Import 按 钮 ，
输入BN的晶体结构，见右图。
为了节省计算时间，由
Build / Symmetry /
Primitive Cell将此
conventional representation
于激活状态。选择CASTEP Calculation对话框中的Setup标签， 从Task的下拉清单中选择Elastic Constants。
按下More...按钮，CASTEP Elastic Constants对话框见右图。 for each
strain由4增加为6，按Run运行。
在本教程中，将学习如何使用CASTEP来计算弹性常数和其他的力学 性能。首先我们要优化BN立方晶体的结构，然后计算它的弹性常数。 本指南主要包括以下内容：
1 优化BN立方晶体的结构 2 计算BN的弹性常数 3 弹性常数文件的描述
1
1. 优化BN立方晶体的结构
在计算弹性常数之前并不一定要进行几何优化，可以由实验观测到的
CASTEP 的 弹 性 常 数 计 算 任 务 的 结果以一批.castep输出文件的形式 给出。这些文件中的每一个文件都 代表确定的晶胞在假设的应变模式 和应变振幅下的几何优化运行结果。 这些文件的命名约定为： seedname_cij__m__n 。 对 于 给 定 的 模式来说，m代表当前的应变模式，
按下more按钮，选中Optimize cell。 关闭CASTEP Geometry Optimization对话 框。
3
选 择 Electronic 标 签 ， 按 下 More... 按 钮 以 得 到 CASTEP Electronic Options 对 话 框 。 把 Derived grid 的 设 置 从 Standard 改 为 Fine 。 关 闭 CASTEP Electronic Options对话框。
3 弹性常数文件的描述 对于这种点阵类型，需要考虑两种应变模式(本教程只计算了一种)。对
于每一种应变模式，都有一个计算出的应力的总结(由各自的.castep文件得 到)。
8
===============================================
Elastic constants from Materials Studio: CASTEP
此文档中的信息包括： *输入的应变和计算出的应力的总结 *每一种应变模式线性拟合和拟合质量的计算结果 *给定对称性下计算出的应力与弹性常数之间的对应 *弹性常数Cij和弹性柔量Sij的表格 *导出量：体积模量和其倒数、压缩系数、杨氏模量、 Poisson比、 Lame 常数(用于模拟各向同性介质)
7
转化为primitive
representation.
2
现在设置几何优化
从工具栏中选择CASTEP工具
，
然后从下拉列中选择Calculation（或从
菜单栏中选择Modules / CASTEP /
Calculation）。
CASTEP Calculation对话框见右图：
在Setup标签中，把Task设置为 Geometry Optimization，把Quality 设 置为Fine，并且把Functional设置为GGA and PW91。
Current amplitude: 1
Transformed stress tensor (GPa) :
-4.990578 0.000000 0.000000 0.000000 -6.907159 Cu06r0r..e.990n500t380a260m15085p0litude0: .2953658 Transformed stress tensor (GPa) : -5.949042 0.000000 00..000000000000 -7.093625 提供了应力，070..应.050970变41032的006037组0 成和0弹.5性71常30数7张量之- 间联系的所有信息。在 这一阶段，每一个弹性常数均有一个简洁的指数代表而不是由一对 ij指数代表。稍后会在文件夹中给出压缩符和常规的指数标定之间 9
=============================================== Summary of the calculated stresses
********************************** Strain pattern: 1
======================
选择Job Control标签，设定本地机运算。 按下CASTEP Calculation对话框中的Run按钮。
4
优化之后，此结构的晶胞参数应为a=b=c=2.574Å。现在我们可以继 续计算优化结构的弹性常数。
或按右键显示
5
2. 计算BN的弹性常数
BN CASTEP GeomOpt/BN.xsd处