第一性原理之CASTEP模塊,計算態密度的方法,CASTEP相關操作

上一篇講到態密度泛函數理論，但是有了理論，還需要相應的方法才能計算態密度，而這裡選擇的是Materials studio中的CASTEP模塊，我們這一文章將會介紹CASTEP模塊。

CASTEP是什麼？

CASTEP是軟體MS的一個模塊。它運用了密度泛函數理論平面波贗勢方法來進行第一原理計算，以此來探索像礦物、金屬、半導體等晶體構造及其性質還有規律。

比較經典的應用有晶體的鍵結構的研究、態密度的計算、光學性質的探究和晶體表面性能的探索等方面。此外，也可以使用CASTEP去有效地探究點缺陷和擴展缺陷等現象所帶來的影響。

CASTEP的3步操作

圖1

CASTEP計算需要進行三個任務，即單點能量的計算（Energy）、幾何優化（Geometry Optimization）和分子動力學分析（Dynamics）。這些計算都會得到一個特定的晶體材料的物理性能，計算步驟如下：

首先是建立模型

值得注意的是，一定要構建成超單胞，這樣保證分子體系的研究。如果轉換成原胞，那計算需要的時間將大大縮小。

圖2

(1)構造一個根目錄，右擊根目錄，選中3D Atomistic，然後將生成的文件修改為相應的名稱。

(2) 選擇Build下的Build Crystal。得到如圖1所示的對話框。修改相應的群代號和相應的晶格參數值，按下build鍵。

(3)如圖2中修改元素和坐標以及相關設置即可。

其次是計算的相關設置

當選擇好適當的模型之後，就要進行計算模型參數的確定，設置好之後就可以進行計算了，步驟如下。

圖3

(1) 先把模型文件顯示為原胞得到如圖3的對話框。

(2) Task修改為Geometry Optimization，並設置相關精度。

(3) Electronic選項設置：相關設置後勾上Fix occupancy。

(4) 設置好之後，按下Run就會得到相應的文件。

最後是結果的輸出與分析

當計算處理完之後，相關的文檔會返回回來。這些文檔再進行下一步處理就可以獲得需要的性能了。修改如圖4，點擊Run就可以了。

圖4

雙擊新生成的「.castep」文件，顯示之後就可以看到DOS圖了。當計算結束之後，會得到多個文件，例如「.xsd」：最後所優化的結構；「.caste」：包含了優化信息的輸出文本文件等。當然，得到態密度圖的方法不止一種，也可以在計算中運用Monk horst-Park的K點電子能，從而得到態密度圖。

第一性原理小結與應用前景展望

材料科學主要注重對物質材料的結構、性能、使用的效能和它們的相互關係的研究的科學，但是，因為材料種類的繁多及其複雜性，所以材料科學缺乏定量的研究[9]。

然而，材料計算科學技術隨著科學的發展日益受到廣泛的關注，材料計算科學主要集中在數學建模和理論建模及其計算方面，數學建模的目的是為了研究結果能夠從實驗階段上升到一般的定性理論，而理論建模及其計算使得研究的效率得以大幅度的提升。

那麼，既然計算科學的發展以及新材料需求的擴增，這兩方面相結合的最佳方法又如何而求得？在這方面第一性原理計算使得這個問題得到了解決。

第一性原理計算，英文名稱為First-Principles Calculation，它又叫做從頭計算，該計算運用了量子力學的基本原理和基本方法來求得所研究體系的基本規律性質。第一性原理僅僅需要基礎性的物理參數就可以對材料進行模擬計算，所以，第一性原理計算被廣泛地運用到了凝聚態物理和應用計算化學等領域。

就目前而言，該計算已經逐漸地發展成熟，在材料的物理性質等方面的計算已經相當的精準。相信隨著計算機的日益更新和學科之間的聯繫越來越密切，第一性原理計算將會更加完美和實用。

圖5

第一性原理依靠它具有很高準確度的材料分析和預測方法，而被廣泛地運用到了材料科學與計算科學相結合的科學課程領域。該原理依據的思路如圖5所示[10]，這就是第一性原理的前景。下一篇我們將會具體介紹上訴的應用，在鈧化鋁上的應用過程以及結果。

參考文獻

[9]高力明.計算材料學與材料結構的層次[J].陶瓷學報，2004,25（2）：25～27. [10]戴振祥.團簇輸運性質的第一性原理研究[D].北京：中國科學院固體物理研究所博士學位論文，2006:21～57.

文：鬥苗 2020.4.24