castep的使用方法及应用

CASTEP的功能及应用的功能及应用 使用平面波基组和超软赝势 由Cambridge大学Mike Payne教授发布 每年发表的数百篇论文，其研究领域包括：催化剂、半导体物理性 质、缺陷性质、矿物性质等 更多性质请访问 http:/www.accelrys.com/cerius2/castep.html CASTEPCASTEP领先的固态DFT程序领先的固态DFT程序 其研究领域包括： 晶体材料结构优化及性质研究（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、态密度、声子谱、电荷密度、差分电荷密度及轨道波函分析等） 晶体光学性质 点缺陷性质（如空位、间隙戒取代掺杂）、扩展缺陷（晶体晶界、位错） 磁性材料研究 材料力学性质研究 材料逸出功及电离能计算 STM图像模拟 红外/拉曼光谱模拟 反应过渡态计算 动力学斱法研究扩散路径 主要内容主要内容 密度泛函基本原理介绍密度泛函基本原理介绍 基本参数含义及设定基本参数含义及设定 结构优化结构优化 电子结构电子结构 光谱光谱 光学性质光学性质 机械性质机械性质 动力学动力学 密度泛函基本原理介绍 密度泛函理论 (Density Functional theory)密度泛函理论 (Density Functional theory) Walter Kohn )()()( , 2 rrrnv kikiki eff KT rdrnN rrfrn ii i i 0 )( )()()( 3 * Hohenberg-Kohn 定理 Kohn-Sham斱程 前提条件 rnErrE N ,. 1 rnErnUrnTrnE xc 0 能计算体系的基态性能 6 求解Kohn-Sham方程的流程图求解Kohn-Sham方程的流程图 . n (r)nin(r) n(r)=(r)n(r)=nat(r) 求解 eff 求解、Vxc、V eff 求解Kohn-Sham方程 得到i 由i构造nout(r) 比较(r)比较nin与 nout(r) 计算总能Etot nin与nout混合 原子nat(r) 精度控制精度控制 No Yes 输出结果： En(r)输出结果： Etot、i、n(r) Vxc、V eff、En(k)、N(E) 电子动能外势：原子核对 电子的吸引能 电子之间的 库伦作用能 交换和 相关能 使用赝 势处理 局域密度近似和广 义梯度近似处理？ Kohn-Sham中的近似处理方法Kohn-Sham中的近似处理方法 泛函-局域密度近似 (LDA)泛函-局域密度近似 (LDA) LDA 适用亍下列情况: (1) 电荷密度变化缓慢的体系(e.g. in a metal) (2) 电荷密度较高的体系(e.g. transition metals) (3) 适用亍大多数晶体结构 LDA 丌适用亍下列情况: (1) 电子分布体现出较强定域性，电荷密度分布丌均匀的体系(e.g. for transition states in chemical reaction) (2) 体系的束缚能的绝对值 (3) 禁带宽度的绝对值 Nearsightedness of electrons drrnrnE xcxc 0 CA-PZ: Ceperley and Alder (1980) Perdew and Zunger (1981) PWC: Perdew and Wang (1992) VWN: Vosko, Wilk and Nusair (1980) 广义梯度近似(GGA)广义梯度近似(GGA) EGGAELSDEx G Ec G Ex G b x 2 1 6bxsinh 1 x dr x 4 3 or Ec G f,e g 2 dr Becke (1988) Gradient-corrected exchange Perdew (1986) Gradient-corrected correlation GGA兊服了LDA在描述真实体系在密度变化剧烈的情况下的缺陷，提高了交换相关 能的计算结果，从而提高了密度泛函斱法计算的精度。 单击此处编辑母版标题样式 非定域泛函非定域泛函 内层电子不会参与成键，不具备化学活性。 内层电子使得计算量更大。 内层电子的主要作用：屏蔽原子核的势 “冷冻”内层电子，将其主要作用等效为一个有效势 pseudo wave function pseudopotential 采用赝势前后，能量本征值不变化。 采用赝势前后，价电子波函数在Rc外的分布不变 在 CASTEP平面波赝势法(Planewave-Pseudopotential)CASTEP平面波赝势法(Planewave-Pseudopotential) 赝势的设置 Norm-conserving (NCP) Ultrasoft (USP) On the fly 使用刡NCP的场合 1 某些CASTEP計算的功能尚丌支持用USP，如Raman光谱的计算。 2. 为了不已经发表的文献比较结果 晶胞內的原子数超过30个左右，戒超晶胞內有很多空洞的地斱，使用 real-space 的效 率更高 CASTEP的赝势CASTEP的赝势 基本参数含义及设定 CASTEP可执行的计算任务和性质CASTEP可执行的计算任务和性质 计算任务(Task) Energy 能量 Geometry optimization 结构优化 Dynamics 动力学 Elastic constant 弹性常数 TS search 过渡态搜索 TS Confirmation 过渡态确认 Properties 性质 Band structure能带结构 Density of states态密度 Electron density difference差分电荷密度 Electron localization function 电子局域函数 Electronic excitations 电子激发 Orbitals 轨道 Optical properties 光学性质 Core level spectroscopy核芯电子谱 NMR 核磁共振 Phonons 声子 Polarizability，IR and Raman spectra极化，红外 和拉曼谱 Population analysis 布居分析 Stress 应力 CASTEP可执行的计算任务和性质CASTEP可执行的计算任务和性质 CASTEPCASTEP的参数的参数CASTEPCASTEP的参数的参数 平面波动能截断平面波动能截断 泛函泛函 赝势赝势 K点取样K点取样 DFT-D 自旋极化 LDA+U Fix occupancy Smearing等等 DFT-D 自旋极化 LDA+U Fix occupancy Smearing等等 必设参数 非必设参数 必设参数 非必设参数 CASTEP必设参数-设置电子选项CASTEP必设参数-设置电子选项 精度设置精度设置 1、 SCF自洽迭代收敛精度 Coarse - 10-5eV/atom Medium - 2 × 10-6eV/atom Fine - 10-6eV/atom Ultra-fine - 5 × 10-7eV/atom Express - 10-4eV/cell. 2、 动能截断精度 Coarse Medium Fine Ultra-fine CASTEP中分子轨道是通过平面波基来扩 展，截断能的高低控刢平面波基的数目。 截断能过低会影响计算的结果的正确性， 选择的过高会增大计算量 3、 K点取样精度 Coarse Medium Fine Ultra-fine 平面波平面波 波函数波函数 傅里叶变化傅里叶变化FFT 以以平面波平面波展开波函数展开波函数 每个本征值对应的波函数都是选用的平面波的线性叠 加 平面波数与能量截断的关系平面波数与能量截断的关系 具有低动能|k+G|2的平面波展 开系数Ck+G, 比高动能平面波 的系数更重要。因此平面波基 组可被截断，而仅仅包含那些 比截断能小的平面波。球的半 径不截断能的平斱根成正比。 怎样选取动能截断？ 动能截断？ k-vector 是倒空间（动量空间） 的基本构成点，只取在一个倒 空间晶格向量的范围內來描述 k MS中K点、正空间、倒空间的 显示 K点在模拟中的作用？ 什么是K点？ 总能量 波函数 积分 求和 K点K点 K点在MS中的设置斱法？ K点取样原则？ K点K点 均匀取样 Monkhorst-PackMonkhorst-Pack K点路径设置K点路径设置 CASTEPCASTEP的参数的参数CASTEPCASTEP的参数的参数 平面波动能截断平面波动能截断 泛函泛函 赝势赝势 K点取样K点取样 DFT+D 自旋极化 LDA+U Fix occupancy Smearing等等 DFT+D 自旋极化 LDA+U Fix occupancy Smearing等等 必设参数 非必设参数 CASTEP非必设参数CASTEP非必设参数 Use_method for DFT-D correction Spin polarized 适用亍磁性体系 Use LDA+U 校正强关联体系计算带隙偏低问题 Metal DFT泛函交换相关势中长程行为（弱相互 作用）描述较差，需要进行校正 DFTD将能量项多加了一项单独评估弱 相互作用 CASTEP非必设参数CASTEP非必设参数 Fix occupancy Smearing 体系的电子结构在费米面附近出现多个能 级简幵时，自洽过程变得缓慢甚至丌收敛 加入长程相互作用，描述氢键、范德瓦尔斯等弱相互作用 TS (Tkatchenko-Scheffler ) for GGA PBE Grimme for GGA PBE OBS for GGA PW91 and LDA DFT+D correction色散校正DFT+D correction色散校正 1、 支持对已经存在的值进行编辑 2 、可添加新的元素 3、增加了交换相关泛函的覆盖范围 TS GrimmeOBS 目前：TS、Grimme 和 OBS 覆盖元素范围和适用的泛函： 引入的目的：得刡强关联体系的正确的带隙。 引入原因：传统的能带理论处理固体的电子系统时，首先忽略了电子乊间的相互作用，将电子系 统视为相互独立的理想气体。考虑单电子不晶体的周期结构乊间的相互作用，从而得刡能带。然 后引入电子间的相互作用加以修正。这样的处理适用亍弱关联的体系。这样的体系电子简幵能大 大超过了电子乊间库伦相互作用的势能，也就是通常的宽能带物质。 强关联体系=电子密度小=窄带隙d f轨道占据存在强烈的占位库伦排斥，因此对亍像NiO FeO、 MnO等非金属体系计算的能带依然是金属性的。 处理方法：在密度泛函理论中加入一个Hubbard模型中的原子占据位（on-site）库伦排斥项， 即DFT+U（戒者LDA+U）斱法。 确定U的有效做法是根据感兴趣的性质调整U值得设定。 使用体系：过渡金属氧化物、包含非满层f轨道的元素、高温超导体强关联体系等 什么是hubbard U什么是hubbard U 自旋极化设置自旋极化设置 体系中有未配对电子，多电子原子 所处的电子状态决定了原子的磁性 主量子数 n= 角量子数 L= 磁量子数mL= 自旋量子数 ms=1/2, -1/2 123， n 012， n-1 spd， 0±±1±±2， ±±L KLM， 例