目的：介紹CASTEP中的幾何優化和等位面顯示的體積可視化工具。
子產品：Materials Visualizer、CASTEP
時間：
先決條件：
背景：
最近，密度泛函理論方法(DFT)應用于大周期系統研究方面的進展在解決材料設計和加工中的問題上變得非常重要。該理論允許對實驗資料進行解釋，測定材料的潛在性質，從未知晶體的結構屬性到結合能和表面分子的活性等等。這些工具可以被用來指導和引導新材料的設計，允許研究者了解潛在的化學和實體過程。
介紹：
本教程示範了在Materials Studio 中，CASTEP 是如何使用量子力學方法來測定材料的晶體結構的，你将學會如何建構晶體結構并設定一個CASTEP幾何優化運算，然後分析計算結果。
注意：本教程的完成需要運作CASTEP幾何優化，信賴于計算伺服器的配置，本計算可能需要花費相當長的時間。
1. 建構AlAs晶體結構
為了建構晶體結構，需要了解空間群、晶格參數和所要建立的晶體的内坐标等知識。對AlAs 來說，空間群是F-43m，或者空間群代号為216。晶格中有兩個原子，Al 和As 的分數坐标分别為(0，0，0)和(0.25，0.25，0.25)，晶格參數為5.6622 Å。
第一步是建立晶格。
在Project Explorer中，右擊根目錄并選擇New | 3D Atomistic Document。在Project Explorer中右擊該檔案，将檔案重新命名為AlAs.xsd。
從菜單欄上選擇Build | Crystals | Build Crystal。
顯示Build Crystal 對話框，如圖5－1。
點選Enter group輸入216，按下TAB鍵。
Space group information欄被F-43m空間群的資訊所更新。
選擇Lattice Parameters頁籤，将a的值從10.00 改變5.6622。按TAB鍵，然後點選Build按鈕。
圖5－1 Build Crystal對話框
在3D視圖中顯示一個空白的晶格，現在可以添加原子。
從快捷菜單欄選擇Build | Add Atoms。
顯示Add Atoms對話框。
圖5－2 Add Atoms對話框
使用該對話框，可以在指定位置添加原子。
在Add Atoms對話框上，選擇Options頁籤。確定Coordinate system設定為Fractional。選擇Atoms頁籤。在Element 文本框中，輸入Al，然後點選Add按鈕。
Al原子被添加到結構中。
在Element 文本框中，輸入As。在a、b 和c 文本框分别輸入0.25。點選Add按鈕。關閉對話框。
原子被加入到晶體結構中，對稱性運算符被用于建立晶體結構中剩餘的原子。原子也顯示在相鄰的晶胞中，用以說明AlAs 結構化學鍵的拓撲結構，可以通過重建晶胞将這些原子移除。
從菜單中選擇Build | Crystals | Rebuild Crystal...。點選ReBuild按鈕。
外部原子被移除，晶體結構顯示出來。可以将顯示模式改為ball and stick。
在結構檔案中右擊，從快捷菜單上選擇Display Style。在Atom 頁籤上，選擇Ball and stick 選項。關閉Display Style對話框。
在3D視圖内的晶體結構是正常的晶胞，表明了晶格的立方對稱性。CASTEP 使用晶格可能存在的完全對稱性。可以使用原始晶格來計算，與包含8個原子的傳統晶格不同，原始晶格中每個晶胞包含兩個原子。這樣，電荷密度、鍵長和每個原子的總能量将是相同的，而不管這個晶胞是如何定義的。由于在原胞中使用了更少的原子，将縮短計算時間。
注意：唯一需要注意的是在磁性系統上執行自旋極化計算的情形，這時電荷密度自旋波的周期是原始晶胞的幾倍。
從菜單欄選擇Build | Symmetry | Primitive Cell。
3D視圖顯示primitive cell。
圖5－3 AlAs的原胞
2. 設定并運作CASTEP 計算
從工具欄中選擇CASTEP工具，然後選擇Calculation，或者從菜單欄中選擇Modules | CASTEP | Calculation。
顯示CASTEP Calculation對話框，如圖5－4。
現在需要優化結構的幾何形狀。
将Task改為Geometry Optimization，将Quality改為Fine。
預設的優化設定是隻對原子坐标進行優化。然而，本例中，在對原子坐标進行優化的同時也要對晶格進行優化。優
點選與Task 相關聯的More…按鈕，勾選上Optimize Cell，關閉對話框。
當改變計算精度時，其他參數也會作相應的變化。
選擇Properties頁籤。
在Properties 頁籤上，可以指定需要計算哪些性質。
選中Band structure和Density of states。
也可以指定job控制選項，例如實時更新。
圖5－4 CASTEP Calculation對話框
選擇Job Control頁籤，點選More…按鈕。在CASTEP Job Control Options對話框裡，改變Update every為30.0s，關閉對話框。
如果正在遠端伺服器上運作計算，可以從Job Control頁籤上指定伺服器名。
點選Run按鈕，關閉對話框。
幾秒鐘後，在Project Explorer中出現一個新目錄，包含了所有的計算結果。Job Explorer也顯示出來，包含有關job的狀态的資訊。Job Explorer顯示與項目有關的任何目前活動job的狀态，它顯示很多有用的資訊，例如伺服器和job代碼。如果需要，也可以使用Job Explorer中止job。
在job運作時，打開四個檔案傳遞job狀态資訊。這些檔案包括晶體結構、在優化過程中模型的更新、傳遞job設定參數資訊和運作資訊的狀态檔案、以及一些關于總能量、能量收斂、力、應力和位移作為疊代次數函數的圖表。
當job結束時，檔案會被傳回到用戶端，這個過程視檔案的大小而需要不同時間。
3. 分析結果
當結果檔案被傳輸回來時，應該有幾個檔案，其中包括：
AlAs.xsd－最後的優化結構；
AlAs Trajectory.xtd－軌迹檔案，包括每一步優化後的結構；
AlAs.castep－包含了優化資訊的輸出文本檔案；
AlAs.param－關于模拟的輸入資訊。
對每一個性能計算，對應都有一個.param和.castep檔案。
在AlAs結構中，由對稱性引起的力為0，但是應力依賴于晶格參數。這樣，CASTEP會嘗試使系統的總能量和應力最小化。是以，為確定計算完全結束，檢查應力已經收斂是非常重要的。
在Project Explorer中，點選AlAs.castep使其處于激活狀态。從菜單欄選擇Edit | Find...，在文本框中輸入“completed successfully”，點選Find Next按鈕。向上滾動幾行。
将會看到一個包含兩行的表格，在每一行的最後一列都顯示為Yes，這表明計算已經成功地結束了。
4. 把結構與實驗資料比較
在最初建立晶胞時，我們就知道晶格長度應該為5.6622 Å。是以，可以把最小化後的晶格長度與初始實驗長度相比較。實驗晶格長度是基于正常晶胞，而不是原胞，是以需要轉換晶胞。
輕按兩下AlAs.xsd 使其處于激活狀态。從菜單欄選擇Build | Symmetry | Conventional Cell。
顯示正常晶胞。有幾種檢視晶格長度的方法，最簡單的一種是打開Lattice Parameters 對話框。
在3D視圖上右擊，從快捷菜單中選擇Lattice Parameters。
點陣矢量大約為5.727Å，誤差大約是1%。這在1-2%的典型誤差之内，該誤差是赝勢平面波方法與實驗結果相比較所期望的誤差。晶格參數的過高估計是GGA泛函的特性，使用LDA泛函會産生低估的結果。
在繼續進行之前，需要儲存項目，并關閉所有視窗。
從菜單欄選擇File | Save Project，然後選擇Window | Close All。
5. 可視化電荷密度
電荷密度可以從CASTEP Analysis工具擷取
從菜單欄裡選擇CASTEP，然後選擇Analysis，或者從菜單欄選擇Modules | CASTEP | Analysis。選擇Electron density選項。
有提示消息說沒有結果檔案可以獲得，是以需要指定結果檔案。
在Project Explorer中，輕按兩下AlAs.castep檔案。
這将把結果檔案和分析對話框關聯起來，但是還需要指定一個3D Atomistic檔案來顯示等位面。
在Project Explorer中，輕按兩下優化後的AlAs.xsd檔案。從菜單欄選擇Build | Symmetry | Primitive Cell。
在CASTEP Analysis對話框上的Import按鈕現在是被激活了。
點選Import按鈕
等位面疊加在結構上。
圖5－5 AlAs的電子密度等位面
可以從Display Style對話框來改變等位面的設定。
在3D視圖中右擊，從快捷菜單選擇Display Style，選擇Isosurface頁籤。
顯示sosurface頁籤。
圖5－6 Display Style對話框Isosurface頁籤
這裡可以改變不同的設定。
在Iso-value文本框裡，輸入0.1并按TAB鍵。
注意等位面如何改變。
向右移動Transparency滑塊。
随着Transparency滑塊向右移動，等位面變得越來越透明。
按住滑鼠右鍵并移動滑鼠，以旋轉模型。
當模型旋轉時，等位面變成點狀顯示，以增加旋轉的速度。如果有速度很快的計算機，那麼可以在Display Options對話框的Graphics頁籤上取消選擇Fast render on move複選框來禁用這一特性。
可以從Display Style對話框移除等位面。
取消選擇Visible複選框，關閉Display Style對話框。
在任何時候都可以通過選擇Isosurface頁籤上的Visible複選框來顯示等位面。
6. 态密度和能帶結構
分析工具可以用于顯示态密度(DOS)和能帶結構資訊。
能帶結構圖表明了在布裡淵區沿着高對稱性方向電子能量對k矢量的依賴性。這些圖提供了一個對材料電子結構進行定性分析的有用的工具，例如，很容易确定d和f态的窄帶，這與近自由電子帶對應的s和p電子正好相反。
DOS和PDOS圖給出了材料電子結構的快速定性圖像，有時候它們可以直接和光譜實驗結果相适應。
主要的CASTEP輸出結果檔案AlAs.castep包含了有限的能帶結構和DOS資訊，更詳細的資訊包含在AlAs_BandStr.castep 檔案内。
打開Analysis對話框，選擇Band structure。
從這個對話框，可以選擇把能帶結構和态密度資訊顯示在同一個圖中。
注意：可以通過單獨分析能帶結構和态密度來将它們顯示在單獨的圖表檔案中。
在DOS區域，選擇Show DOS複選框，點選View按鈕。
生成一個包括能帶結構和态密度圖的圖表檔案。
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