Materials Studio教程(十三):磁性計算

能對磁場作出某種方式反應的材料稱為磁性材料。按照物質在外磁場中表現出來磁性的強弱，可將其分為抗磁性物質、順磁性物質、鐵磁性物質、反鐵磁性物質和亞鐵磁性物質。大多數材料是抗磁性或順磁性的，它們對外磁場反應較弱。鐵磁性物質和亞鐵磁性物質是強磁性物質，通常所說的磁性材料即指強磁性材料。對於磁性材料來說，磁化曲線和磁滯回線是反映其基本磁性能的特性曲線。鐵磁性材料一般是Fe，Co，Ni元素及其合金，稀土元素及其合金，以及一些Mn的化合物。Materials Studio也提供了磁性計算的方法，我們通過本教程來說一下如何通過Materials Studio的CASTEP模塊進行磁性計算。

用CASTEP進行自旋極化DFT計算可以研究磁性體系。此設置推薦用於過渡金屬氧化物、某些無機表面研究和含有磁性元素（鐵、鈷、錳、鎳）的金屬體系。自旋極化CASTEP計算通常在可變磁矩下進行。然而，這個過程並不能保證找到最低能量狀態。DFT解可以收斂到各種局部極小值，從而找到亞穩態。最常見的解對應於高自旋態和低自旋態。CASTEP產生的狀態依賴於初始磁位形，因為解很可能收斂到最近的局部極小值，而不是全局最小值。

定義初始磁位形有兩種方法：一種是指定每個單元的總磁矩，它在空間上均勻分布，或者提供單胞中每個原子自旋的絕對值和方向（向上或向下）的詳細信息。前一種方法可用於相對簡單的系統，其中只有兩種解決方案（磁性和非磁性）。後一種方法規定了系統中原子的自旋狀態，更通用，也更靈活。可以建立鐵磁、亞鐵磁或反鐵磁計算來得到不同的起始自旋排列。

1.從菜單欄中選擇Modules->CASTEP->Calculation以顯示CASTEP計算對話框。

2.選擇「Setup」選項卡。

3.選中「Spin polarized」複選框，取消選中「Use formal spin as initial」複選框。

4.指定初始自旋值。

5.要優化自旋值，請選擇「Electronic」選項卡，然後單擊「More...」按鈕訪問「CASTEP Electronic Options」對話框。

6.選擇「SCF」選項卡。

7.取消選中「Fix occupancy」複選框，並選中「Optimize total spin」複選框。

註：只有當密度混合方案用於電子結構最小化時，CASTEP才能正確處理原子上的初始磁矩。

1.設置原子的正式自旋。

2.在設置正式自旋之後，找到並施加體系的對稱性。

3.從菜單欄中選擇Modules->CASTEP->Calculation，以顯示CASTEP計算對話框。

4.選擇「Setup」選項卡。

5.檢查「Spin polarized」，並選中「Use formal spin as initial」複選框。

6.選擇「Electronic」選項卡，然後單擊「More...」按鈕訪問「CASTEP Electronic Options」對話框。

7.選擇「SCF」選項卡。

8.選擇「Density mixing」作為電子最小化設置。

9.取消選中「Fix occupancy」複選框，並選中「Optimize total spin」複選框。

在優化自旋態時，包含足夠數量的空帶是很重要的。默認的空帶數為4，這意味著自旋值的最大值為8。如果CASTEP發現的實際最小值對應於高自旋狀態，那麼從低自旋狀態開始的計算將非常緩慢（儘管當計算從高自旋開始並收斂到低自旋時，情況並非如此）。

註：如果空帶數不足以容納高自旋態，CASTEP可能無法收斂SCF，特別是在使用可變佔有數（金屬系統）的計算中。

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