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unit_MS_quick-start打開 Materials Sautio，它會問是要開始一個新的 project 還是要打開一個前次的 project。
如果是第一次用的話要選開啟新的 project ，如果一旦這樣回答的話，它還問你是什麼 project，那我們就給它一個 project 的名稱。
我們現在要以氯化鈉為例，你可以給任何名稱，但是我現在要以 NaCl 為名稱。
一開始進來要先介紹幾個重要的視窗，它們關係到我們進行模擬計算時所會處理及操作到的對象。
姑且可以分為這三類：一、進行計算的工作，己跑完的、正在跑的都算；二、計算工作總是有各有些不同的輸入與輸出檔案，我們經常會需要審視結果、修改輸出入的相關設定；三、材料的原子及電子結構 3D 模型帶有很多我們想要知道之關於這個材料的物性資料，例如晶體的晶胞邊長、原子的元素種類等等。
從 Veiw 的 Explorer ，它有三個 Explorer，job Exploroer、project exploroer、property explorer 。
job explorer 的開跟關是這樣按一次它就開起來。
這個是你跑什麼 job 近端遠端它都可以顯示，跑完了沒有、要不要把它移除等等，在這邊都可以操作，有很多 job 的時候會很好用。
project explorer 預設值是開著的，就是靠左邊垂直的這一塊，裡面對於跑 project 的相關物件，如文字輸出、3D結構等等都是在這裡選取，很像微軟視窗 (MS Windows) 裏頭的『檔案總管』。
要做東西總是需要選取一個 job 相關的目錄等等，所以 job explorer 在操作上來講是很重要的。
另外我也常常會打開的是 property explorer ，property explorer 在 MS 是新的東西，相對 Cerius2 而言是新的東西。
在 Cerius2 裡如果你想要知道一些 3D 物件的屬性，像是鍵長、鍵角，晶胞內原子數，就要分別去打開一些相關的表單，它才會印給你看，然而初學者還得學會這些表單藏在那裏。
第一性原理计算方法第一性原理计算方法是一种基于量子力学原理的计算方法，它可以用来研究原子和分子的结构、性质和反应。
与传统的经验性方法相比，第一性原理计算方法具有更高的精度和可靠性，能够提供更多的物理和化学信息。
本文将介绍第一性原理计算方法的基本原理和应用。
首先，第一性原理计算方法是建立在薛定谔方程的基础上的。
薛定谔方程描述了体系的波函数随时间的演化，通过求解薛定谔方程，我们可以得到体系的能量、波函数和其他物理性质。
在第一性原理计算中，我们通常采用密度泛函理论来近似求解薛定谔方程，通过求解库仑势和交换-相关势的作用，得到体系的基态能量和波函数。
其次，第一性原理计算方法的应用非常广泛。
它可以用来研究固体、液体和气体的结构和性质，预测材料的稳定相和晶体结构，计算分子的几何构型和振动频率，分析化学反应的动力学过程等。
同时，第一性原理计算方法还可以用来设计新型的功能材料，优化催化剂的性能，预测分子的电子结构和光学性质，研究纳米材料的电子输运行为等。
在第一性原理计算方法的发展过程中，科学家们提出了许多不同的计算框架和方法，如密度泛函理论、量子蒙特卡洛方法、格林函数方法等。
这些方法在不同的体系和问题上都有各自的优势和局限性，需要根据具体的研究目的来选择合适的方法。
总的来说，第一性原理计算方法是一种强大的工具，它在材料科学、物理化学、生物化学等领域都有重要的应用价值。
随着计算机硬件和软件的不断发展，第一性原理计算方法将会变得更加高效和精确，为科学研究和工程应用提供更多的支持和帮助。
通过以上介绍，我们可以看到第一性原理计算方法在材料科学和化学领域的重要性和广泛应用。
它不仅可以帮助我们理解物质的基本性质，还可以指导新材料的设计和合成，促进科学技术的发展和进步。
因此，掌握和应用第一性原理计算方法对于科研工作者和工程技术人员来说都是非常重要的。
希望本文的介绍能够为读者提供一些有益的信息，引起对第一性原理计算方法的兴趣和关注。
信息记录材料2019年9月第20卷第9期(借息：技术与应用〕简述第一性原理计算软件CASTEP在材料物理教学中的应用吴玉辉(长春理工大学材料科学与工程学院吉林长春130022)【摘要】CASTEP程序是Cambridge Sequential Total Energy Package首字母的缩写，是一个基于第一性原理的量子力学程序.它是采用平面波贋势基组结合密度泛函理论，用来研究与设计材料物理性质功能强大的工具。
在教学过程中引入CASTEP计算模拟软件，对材料物理教学中的知识点及基本原理进行计算及演示，可以使教学内容和过程更加生动形象。
使与材料物理相关的知识点、更易于被学生掌握和接受，从而提高教学效率，激发学生兴趣。
本文旨在探索使用计算模拟软件在材料物理教学中应用,为材料物理的教学进行有益的探索及尝试。
【关键词】材料物理；CASTEP;Materials Studio;教学演示；第一性原理【中图分类号】TP37【文献标识码】A1简介第一性原理计算模拟软件CASTEP是Materials Studio软件包中的一个计算模块，它最初由剑桥大学-卡文迪什实验室的TCM(Theory of Condensed Matter group)凝聚态固体物理小组在20世纪80年代末、90年代初釆用Fortran77开发(后在2001年采用Fortran 95改写，用以提高整个代码的并行性和可持续性)。
CASTEP主要用于固体物理中凝固态相关性质的计算，20世纪90年代中期，由美国的分子模拟国际Molecular Simulations Inc.(MSI)公司发放许可证进而商业化运行，剑桥大学获得了一部分版税。
该公司后来与Genetics Computer Group(GCG)公司、英国的Synopsys Scient 迁ic系统公司以及Oxford Molecular Group(OMG)公司，于2001年6月1日合并组建了Accelrys公司，它是国际上知名的分子生物学及信息学公司，2016年1月被法国Dassault Systemes公司收购，随后Accelrys更名为BIOVIAo这个公司目前是全球范围内唯一能够提供分子模拟、材料设计以及化学信息学和生物信息学全面解决方案和相关服务的软件供应商。
《计算材料学》实验讲义实验一：Materials Studio软件简介及基本操作一、前言1. 计算材料学概述随着科学技术的不断发展，科学研究的体系越来越复杂，理论研究往往不能给出复杂体系解析表达，或者即使能够给出解析表达也常常不能求解，传统的解析推导方法已不敷应用，也就失去了对实验研究的指导意义。
反之，失去了理论指导的实验研究，也只能在原有的工作基础上，根据科研人员的经验理解、分析与判断，在各种工艺条件下反复摸索，反复实验，最终造成理论研究和实验研究相互脱节。
近年来，随着计算机科学的发展和计算机运算能力的不断提高，为复杂体系的研究提供了新的手段。
在材料学领域，随着对材料性能的要求不断的提高，材料学研究对象的空间尺度在不断变小，纳米结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至要研究到电子层次，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代新材料研究和发展的要求。
然而计算机模拟技术可以根据有关的基本理论，在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究，进而实现材料服役性能的改善和材料设计。
因此，计算材料学应运而生，并得到迅速发展，目前已成为与实验室实验具有同样重要地位的研究手段。
计算材料学是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。
计算材料学主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。
计算材料科学是材料研究领域理论研究与实验研究的桥梁，不仅为理论研究提供了新途径，而且使实验研究进入了一个新的阶段。
计算材料学的发展是与计算机科学与技术的迅猛发展密切相关的。
从前，即便使用大型计算机也极为困难的一些材料计算，如材料的量子力学计算等，现在使用微机就能够完成，可以预见，将来计算材料学必将有更加迅速的发展。
材料科学中的第一性原理计算第一性原理计算是材料科学研究中一种重要的计算方法。
它是基于量子力学理论和电子结构理论的计算模型，通过求解薛定谔方程，从基本粒子（原子、离子、电子）的特性出发，利用数学方法预测和描述材料的结构、能量、性质等基本信息。
本文将对第一性原理计算的原理、方法和应用进行详细介绍。
第一性原理计算的核心是量子力学。
量子力学是描述微观粒子行为的理论，它认为微观粒子的运动和相互作用需要用波函数描述，而波函数可以通过薛定谔方程求解。
在材料科学中，我们关心的是材料中电子的结构和性质。
通过解薛定谔方程，可以得到材料中电子的轨道分布、能带结构和电子密度等信息，进而预测和研究材料的各种性质。
第一性原理计算分为两个主要步骤：构建模型和求解薛定谔方程。
首先，需要确定材料的晶胞结构，即原子的排列方式和间距。
其次，需要选择合适的计算方法，如密度泛函理论（DFT）等。
DFT是一种基于电子密度的近似方法，它将材料中的电子相互作用简化为一个电子密度函数。
然后，需要选取计算所需的参数，包括平面波基组、能量截断和k点网格等。
最后，通过求解薛定谔方程，可以得到材料中电子的波函数和能量等信息。
第一性原理计算在材料科学中有广泛的应用。
首先，它可以用于材料的结构预测和优化。
通过计算不同原子和离子的结合能、晶格参数和局域构型能等信息，可以预测新材料的结构和稳定性，为材料设计和合成提供指导。
其次，第一性原理计算可以用于研究材料的电子性质。
通过计算材料的能带结构、禁带宽度和电子态密度等信息，可以预测材料的导电性和光学性质。
此外，第一性原理计算还可以用于模拟材料的机械性质、热学性质和磁学性质等。
尽管第一性原理计算有广泛的应用，但其存在一些限制。
首先，求解薛定谔方程是一项复杂且计算量大的任务，需要高性能计算机和大量的计算时间。
其次，第一性原理计算通常采用一些近似方法，如DFT等，会带来一定的误差。
此外，由于计算的复杂性，第一性原理计算通常只能研究小尺寸的体系，难以模拟大尺寸和复杂的材料。
计算机在材料科学与工程中的应用实验报告任课教师：学号：实验一 第一性原理计算1. 实验目的(1) 掌握第一性原理和密度泛涵的计算方法； (2) 学会使用Visualizer 的各种建模和可视化工具； (3) 熟悉CASTEP 模块的功能。
2. 实验原理CASTEP 是基于密度泛涵理论平面波赝势基础上的量子力学计算。
密度泛涵理论的基本思想是原子、分子和固体的基本物理性质可以用粒子密度函数进行描述。
可以归纳为两个基本定理：定理1：粒子数密度函数是一个决定系统基态物理性质的基本参量。
定理2：在粒子数不变的条件下能量对密度函数变分得到系统基态的能量。
不计自旋的全同费米子的哈密顿量为：H T U V =++其中动能项为：()()T dr r r ψψ+=∇∇⎰库仑作用项为：11'()(')()(')2'U drdr r r r r r r ψψψψ++=-⎰V 为对所有粒子均相同的局域势u(r)表示的外场影响：()()()V dru r r r ψψ+=⎰粒子数密度函数为：()()()r r r ρψψ+=ΦΦ对于给定的()r υ，能量泛函[]E ρ定义为：[]()()E dr r r T U ρυρ=++Φ⎰；[]F T U ρ=Φ+Φ系统基态的能量：'''''[]''''[][]()()[][]()()[]E T U V GE F dr r r E G G F dr r r E G ρρυρφρυρρΦ=Φ+Φ+ΦΦ==+>⎰=+=⎰3. 实验内容实验 1. 材料的电子结构计算；实验 2. 晶体材料的晶格[点阵]参数预报（要求材料体系为金属合金、化合物半导体或有机高分子材料）；4. 实验设备和仪器(1) 硬件：多台PC 机和一台高性能计算服务器。
(2) 软件：主要利用Materials Studio 软件包里的Materials Visualizer 和CASTEP(Calculation 和Analysis)模块。
问题如下1.CASTEP caculation对话框中的TAST中的"Energy，Geometry Optimization,Dynamic, Elastic Constants"各有什么计算意义，尤其是Energy和Geometry的计算上的区别。
答：Energy指的就是单点能的计算，或则说能量的计算。
Geometry optimization指的是结构优化，而优化的依据主要就是能量，所以，在Geometry optimization的过程中，CASTEP在调整结构，每得到一个结构就会计算它的能量，最终找到一个能量最低的结构。
CASTEP在执行Energy和Geometry optimization计算时都会计算体系的能量，而我们知道，体系的所有性能，包括电子结构、力学性质、热力学性质、光学性质等等，所有我们在properties里面可以勾选的性质选项都是在体系能量确定之后得到的，所以在CASTEP的操作中，当你选择Energy或者Geometry optimization时，都可以同时在properties里面勾选要计算的性质，不过，当选择Geometry optimization时，程序计算的是优化得到的稳定结构所对应的性质。
CASTEP的TASK中还有一个properties的选项，这个选项是用来直接计算体系性质的，但前提是你已经做过Energy或Geometry optimization计算，体系的能量已经确定，这时候可以通过properties直接计算体系的各种性质，这个选项主要是为了方便使用者，不必每次计算性质都要从新计算体系的能量。
Dynamic是做动力学模拟，也就是基于牛顿运动方程研究体系中各个原子在指定热力学条件下如何运动，它与常说的分子动力学相比，最大的区别在于原子间相互作用是通过量子力学计算，或则说求解薛定谔方程确定的，而通常的分子动力学方法是通过基于经验参数的力场来描述原子间的相互作用。
unit_MS_quick-start打开 Materials Sautio，它会问是要开始一个新的 project 还是要打开一个前次的 project。
如果是第一次用的话要选开启新的 project ，如果一旦这样回答的话，它还问你是什么 project，那我们就给它一个 project 的名称。
我们现在要以氯化钠为例，你可以给任何名称，但是我现在要以 NaCl 为名称。
一开始进来要先介绍几个重要的窗口，它们关系到我们进行模拟计算时所会处理及操作到的对象。
姑且可以分为这三类：一、进行计算的工作，己跑完的、正在跑的都算；二、计算工作总是有各有些不同的输入与输出档案，我们经常会需要审视结果、修改输出入的相关设定；三、材料的原子及电子结构 3D 模型带有很多我们想要知道之关于这个材料的物性数据，例如晶体的晶胞边长、原子的元素种类等等。
从 View（查看）的 Explorer（资源管理器），它有三个 Explorer，job Explorer、project explorer、property explorer 。
job explorer 的开跟关是这样按一次它就开起来。
这个是你跑什么 job 近端远程它都可以显示，跑完了没有、要不要把它移除等等，在这边都可以操作，有很多 job 的时候会很好用。
project explorer 默认值是开着的，就是靠左边垂直的这一块，里面对于跑 project 的相关对象，如文字输出、3D结构等等都是在这里选取，很像微软窗口 (MS Windows) 里头的『档案总管』。
要做东西总是需要选取一个 job 相关的目录等等，所以 job explorer 在操作上来讲是很重要的。
另外我也常常会打开的是 property explorer ，property explorer 在 MS 是新的东西，相对 Cerius2 而言是新的东西。
在 Cerius2 里如果你想要知道一些 3D 对象的属性，像是键长、键角，晶胞内原子数，就要分别去打开一些相关的窗体，它才会印给你看，然而初学者还得学会这些窗体藏在那里。
CASTEP / Materials Studio 計算化學進階訓練課程 （授課於國家高速網路與計算中心：2005 年 8 月 9、10 日）李明憲淡江大學物理系（未經作者同意不得轉載）第一天上午Materials Studio 與 CASTEP 快速入門在主從運算單元中包含如何檢視進行中 job 的方法認識晶體結構與 ICSD 資料庫模型建構技巧與 介面之標準 3D 功能下午密度泛函理論與 CASTEP 平面波贗勢方法微觀圖像與第一原理、多電子的量子問題、密度泛函理論、Kohn-Sham 方法、迭代極小化、贗勢、週期性邊界條件、直接計算原子的受力、梯度算符求值與快速富利葉轉換預測基本物性（I）：原子軌域、分子結構、化學鍵鍵級、鍵能、晶胞參數、彈性係數張量、表面重構、功函數，STM 影像模擬實習 預測基本物性（I）第二天上午能帶結構理論與計算方法能帶理論簡介、超晶胞、倒空間、布里淵區、 k -取樣、費米面、分數佔據態、投影態密度預測基本物性（II）能帶結構、態密度、投影態密度、導體、半導體、絕緣體、磁性、光譜、聲子譜實習 預測基本物性（II）下午CASTEP 實戰守則模型選定、贗勢選擇、精確性測試、收斂性測試、重要參數調控、Materials Studio Help、CASTEP 文獻資料庫、論文寫作建議、MS操作小叮嚀進階功能分子動力學、過渡態搜尋、能階修正、核磁共振、其他發展中之研究工具介紹（OTFG、NLO、EELS）自由實習與個案討論（未經作者同意不得轉載）CASTEP 實戰守則贗勢選擇Vps選單MS介面的設定是選用USP優先於NCP，USP有加速計算與減少記憶體使用的效果，其精確度也與NCP (norm-conserving potential) 相當。
至於什麼時候使用NPC呢 (就是在poseudopotential 選項中那些延伸檔名是 .recpot者)，使用到NCP的場合有：1.某些CASTEP計算的功能尚未支援到USP，因此需要選用NCP。
CASTEP 实战守则模型选定我们在进行材料物理模拟所需要做的第一步 (也是很重要的一步) 是模型的选定或建构。
CASTEP 虽然内建了很多功能来预测晶胞参数 (边长，夹角) 与原子位置，但仍然仰赖使用者告诉它 "要进行计算的系统是什么"。
在选定模型时，我们需切记如果系统内原子太多或是超晶胞体积太大，则计算量都会以平面波数的 3 次方增加到计算机难以负荷或使用者难以等待的程度，]此，我时时应考虑设计出一个足以表现出我们所想要研究的物理，而却又能使所有采用的超晶胞越少越好的模型。
如果研究上涉及到一系列原子数不同的大小系统需要做计算，最好能先计算小结构，不要一开始就送入大结构到计算机中。
如果要仿真的系统是含有杂质，则单位晶胞必须进一步放大成超晶胞以便使化学成分里的分数变成整数，因此晶胞会变得很大。
在某些特殊的情况，相互取代的元素种类是很类似的，(即在化学行为上类似)，则下一个版本的CASTEP会提供一种叫做虚拟晶体近似 (Virtural Crystal Approximation，VCA) 的方法，则模型里面的原子就可以指定成如0.3A元素加0.7B元素这种样子，因此总可以以最小晶胞来做计算的模型。
但这种方法的精确度通常只适用于合金材料，故要小心使用。
模型的选定有许多人为抉择会含在里面，例如表面计算的层数，因此有些情况也需要进行所谓的收敛性测试。
Vps (poseudopotential)选择Vps选单：MS接口的设定是选用USP优先于NCP，USP有加速计算与减少内存使用的效果，其精确度也与NCP (norm-conserving potential) 相当。
至于什么时候使用NPC 呢 (就是在poseudopotential 选项中那些延伸文件名是 .recpot者)，使用到NCP的场合有：1.某些CASTEP计算的功能尚未支持到USP，因此需要选用NCP。
2.为了要与已经发展的文献比较或进行验证3.对计算的结果存疑者，能提供『多一种选择』( 注：至于延伸档名是*.psp者也是属于norm-conserving的一种，是TM potential，在文献上也常被使用，但所需的截止动能较高，因此计算代价较大。
