已有 3310 次阅读 2021-9-13 11:05 |个人分类:科研干货|系统分类:科研笔记

目的：介绍使用CASTEP模块计算线性响应和热力学性质的方法。

所用模块：Materials Visualizer、CASTEP

前提条件：利用第一性原理预测AlAs的晶胞参数（Predicting the lattice parameters of AlAs from first principles）教程

背景

线性响应，或称密度泛函微扰理论（DFPT）是晶格动力学从头算中最流行的方法之一。然而，该方法已扩展到研究振动性质的应用领域。线性响应是一种在给定扰动下计算总能量二阶导数的分析方法。根据扰动的本质，可以计算出多种性质。通过离子位置的微扰可以得到动力矩阵和声子；在磁场中引起NMR效应；在单位晶格矢量中算得弹性常数；在电场中引起介电响应等。在一些教科书中已有详细阐述晶体中声子或晶格振动的基本理论。可通过大量物理性质来说明晶格动力学中声子概念的重要性，例如下列物理性质可以通过声子来解释：红外、拉曼和中子散射光谱；比热、热膨胀和热传导系数；电子-声子相互作用，从而产生电阻率和超导电性，等等。密度泛函理论（DFT）方法可用于预测此类性质，CASTEP提供了这一功能。

注意：目前还不支持使用超软赝势进行DFPT声子计算，也不支持自旋极化系统的DFPT计算。然而，声子谱和相关性质可以利用在有限差分方法用这些设置来计算。

介绍

在本教程中，将要学习如何使用CASTEP来完成线性响应计算的方法，从而计算声子散射和声子态密度，以及预测热力学属性如焓和自由能。

本教程包括如下部分：

开始

优化锗晶胞的结构

计算声子散射谱和态密度（DOS）

显示声子散射和态密度

显示热力学性质

显示原子位移参数

注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将项目中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。

1、开始

首先启动Materials Studio并创建一个新项目。

打开New Project对话框，输入Ge_phonon作为项目名，单击OK按钮。

新项目将以Ge_phonon为项目名显示于Project Explorer中。

首先导入Ge结构，该结构包含在Materials Studio的结构库中。

在菜单栏中选择File | Import...，打开Import Document对话框。导航至Structures/metals/pure-metals文件夹，选择Ge.xsd文件。

2、优化锗晶胞的结构

将结构转换为初级胞表示，可以显著加速计算。

在菜单栏中选择Build | Symmetry | Primitive Cell。

显示Ge的初级胞。

现在，使用CASTEP优化Ge晶胞的几何构型。

在Modules工具条中单击CASTEP按钮后面的下拉箭头，然后从下拉列表中选择Calculation，或从菜单栏中选择Modules / CASTEP / Calculation。

打开CASTEP Calculation对话框。

CASTEP Calculation对话框Setup选项卡

几何优化的默认值不包括对晶胞参数的优化。

在Setup选项卡中，把计算任务Task设置为几何优化Geometry Optimization，将泛函Functional设置为LDA。由于Ge是半导体，取消勾选Metal复选框。将精度Quality设置为Ultra-fine，这是用于计算材料振动特性的推荐设置。

单击More...按钮，打开CASTEP Geometry Optimization对话框。从晶胞优化Optimize cell的下拉列表中选择Full，关闭对话框。

在CASTEP Calculation对话框中，选择Electronic选项卡，将赝势Pseudopotentials设置为模守恒Norm conserving（仅能使用模守恒赝势计算声子性质的线性响应）。

在Job Control选项卡，在网关位置Gateway location下拉列表中选择想要运行CASTEP计算任务的网关。把运行时间优化Runtime optimization设置为Speed。

单击Run按钮运行计算任务。

计算任务提交并开始运行。计算大概需要几分钟时间，这主要取决于电脑的速度。计算结果将在名为Ge CASTEP GeomOpt的新文件夹中。

3、计算声子散射谱和态密度（DOS）

利用DFPT可精确计算倒数空间中任意给定点的声子频率。但是，每个q点的计算需要大量计算资源。另一种方法可用于需要大量q点的声子频率的计算，例如声子DOS和热力学性质。这种替代方案使用晶体中相对较短的有效离子-离子相互作用范围。插值可用于减少计算时间而不损失精度。精确的DFPT计算仅在少量的q矢量上执行，然后使用计算量很小的插值程序获得其他需研究的q点处的频率。使用插值方案代替精确计算的一个优点是，低温下的热力学性质强烈依赖于声子DOS网格中选取的点的数量。使用插值方法，可以在不增加计算成本的情况下增加该数量。

为了计算态的声子色散和声子密度，在从CASTEP Calculation对话框的Properties选项卡选定适当的性质后，必须执行一个单点能量计算。

确定Ge CASTEP GeomOpt文件夹中的Ge.xsd文件为当前文档。

在CASTEP Calculation对话框的Setup标签中，将Task设置为Energy。

在Properties选项卡中选择声子Phonons，通过选择Both选项，同时计算态密度和散射谱。

单击More...按钮，显示CASTEP Phonon Properties Setup对话框。确保Method为线性响应Linear response，以及使用插值Use interpolation复选框已勾选。确定插值的q矢量网格间距q-vector grid spacing for interpolation为0.05 1/Å，将散射Dispersion和态密度Density of states的计算精度Quality设置为Fine。

关闭对话框。

单击Run按钮，关闭CASTEP Calculation对话框。

计算任务提交并开始运行。这是一项更耗时的计算任务，在多核计算机上可能需要大约10分钟完成。在Ge CASTEP GeomOpt文件夹中创建了一个名为Ge CASTEP Energy的新文件夹。当能量计算完成后，此文件夹中产生两个新文件Ge_PhononDisp.castep和Ge_PhononDOS.castep。

【系列教程】

Adsorption Locator模块――定位SO2分子在Ni(111)表面的吸附位置【1】

Amorphous Cell模块――演示如何将分子填充到现有结构中【1】

CASTEP模块――利用第一性原理预测AlAs的晶胞参数【1】

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