计算材料学实验（燕友果）实验七 利用 material studio研究晶体材料性能

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1、实验七利用MaterialStudio研究晶体材料性能一、实验目的1、了解MaterialStudio(MS)软件中有关固体材料科学设计各个模块功能；2、掌握在MS软件MaterialsVisualizer子模块中创建晶体结构模型；3、掌握在MS材料计算软件中研究晶体材料性质的方法；4、掌握查看和分析晶体材料属性的方法。5、分析AlAs晶体的晶格常数、态密度、能带图等性质.二、实验原理及方法1.1CASTAP介绍CASTAP是特别为固体材料学而设计的一个现代的量子力学基本程序，其使用了密度泛函(DFT）平面波赝势方法，进行第

2、一原理量子力学计算，以探索如半导体，陶瓷，金属，矿物和沸石等材料的晶体和表面性质。MaterialStudio使用组件对话框中的CASTAP选项允许准备，启动，分析和监测CASTAP服役工作。计算：允许选择计算选项（如基集，交换关联势和收敛判据），作业控制和文档控制。分析：允许处理和演示CASTAP计算结果。这一工具提供加速整体直观化以及键结构图，态密度图形和光学性质图形。CASTAP计算可以进行单个点的能量计算，几何优化或分子动力学计算，也可提供这些计算中的每一个以便产生特定的物理性能。性质为一种附加的任务，允许重新开始已

3、完成的计算以便产生最初没有提出的额外性能。CASTAP能量任务允许计算特定体系的总能量以及物理性质。1.2CASTAP几何优化任务CASTAP几何优化任务允许改善结构的几何，获得稳定结构或多晶型物。通过一个迭代过程来完成这项任务，迭代过程中调整原子坐标和晶胞参数使结构的总能量最小化。1.3CASTAP动力学任务CASTAP动力学任务允许模拟结构中原子在计算力的影响下将如何移动。1.4CASTAP性质任务CASTAP性质任务允许在完成能量，几何优化或动力学运行之后求出电子和结构性质。可以产生的性质如下：1）态密度（DOS）：利

4、用原始模拟中产生的电荷密度和势能，非自恰计算价带和导带的精细Monkhorst-Pack网格上的电子本征值。2）带结构：利用原始模拟中产生的电荷密度和势能，非自恰计算价带和导带的布里渊区高对称性方向电子本征值。3）光学性质：计算电子能带间转变的矩阵元素。CASTAP分析对话可用于生成包含可以测得的光学性质的网格和图形文件。4）布局数分析：进行Mulliken分析。计算决定原子电荷的键总数和角动量（以及自旋极化计算所需的磁矩）。任旋地，可产生态密度微分计算所要求的分量。5）应力：计算应力张量，并写入seedname.caste

5、p文档。三、实验仪器MaterialsStudio软件、计算机。四、实验步骤4.1、构建晶体模型4.2、晶体模型计算对对称性较高的晶体，计算过程中尽量选用原胞计算，以便节约时间；将晶体对称性施加到所构建的晶体模型中，在创建晶体结构任务的第五步的findsymmetry对话框中选择imposesymmetry；然后选择symmetry工具栏中的primitivecell。开始结构优化。在modules菜单下选择CASTEP方法的calculation；在新对话框的setup中的task下拉列表中选择geometryoptimi

6、zation，计算精度根据计算的时间要求及单胞中的原子个数，一般选为fine；函数选默认的GGA-PBE方法。性质计算。在setup的同级对话框中选择properties，CASTEP可完成的性质计算及计算过程中的计算精度控制等都可以在本对话框中进行选择。然后点击run，开始进行计算。（本实验将同时完成结构优化和性质计算）。任务完成后，打开扩展名为.castep的文件，在结构优化完成后，得到平衡状态下的晶格常数、晶胞体积、以及原子布居数、化学键布居数等结果。将优化后的晶体结构作为当前活动窗口，在modules菜单下选择CAS

7、TEP方法的analysis工具，可以分析出已计算的晶体性质。五计算结果分析1.AlAs模型构建计算参数选择：空间群是F-43m或序号216；元素Al和As的分数坐标分别为（000）和（0.250.250.25），晶格参数为5.6622埃。第一步是构建晶格。从菜单中选择Build

8、Crystals

9、BuildCrystal，然后显示出BuildCrystal对话框，如下：在Entergroup中选择F-43m或在Entergroup中单击，然后键入216，再按下TAB键.(空间群信息框中的信息也随着F-43m空间群的信息而发

10、生变化)。选择LatticeParameters标签，把a的数值从10.00改为5.662。单击Build按钮。一个没有原子的晶格就在3Dmodeldocument中显示出来。从菜单栏中选择Build

11、AddAtoms。通过它，我们可以把原子添加到指定的位置，其对话框如下：在AddAtom