1樓：宮非
2020-12-03
CASTEP（Cambridge Sequential Total Energy Package）是Materials Studio 的量子化學模組之一，用密度泛函理論模擬固體、介面和表面的特性，研究的材料包括陶瓷、半導體、金屬、礦物、沸石、液晶等。典型的應用包括表面化學、鍵結構、態密度和光學性質等研究，CASTEP 也可用於研究體系的電荷密度和波函式的 3D 形式。此外，CASTEP 可用於有效研究點缺陷（空位、間隙和置換雜質）和擴充套件缺陷（如晶界和位錯）的性質。
運用Materials Studio 中的CASTEP 模組計算表面能的過程大體分為三個步驟：模型建立、結構優化及計算結果分析。圖1 為Materials Studio 計算介面，該計算介面非常簡潔，常用的計算模組均顯示在該介面上，同時很容易建立各種模組的計算檔案庫，同時該介面的對話方塊也非常簡潔，幫助檔案內容卻非常翔實，包括計算過程操作及相應的計算原理。
圖 1. Materials Studio 計算介面。
圖2 為Materials Studio 計算軟體中對CASTEP 模組呼叫介面，通過對Materials Studio 軟體介面，直接選取CASTEP 模組進行計算。
圖 2. CASTEP 模組呼叫介面。
圖3 是構建Au 晶體晶胞的介面，由於金屬晶體是常見的晶體型別，在Materials Studio 軟體中包含了這類材料的物質結構資料庫，因此可以直接從資料庫中呼叫。由於金屬晶體是重複晶胞的過程，因此在本計算過程中選取乙個晶胞進行計算。
圖 3. 構建的 Au 晶體晶胞。
圖4 為Au 晶體中計算前的引數設定介面，該介面的引數設定包括建立計算方法、能量計算步長、計算精度設定和顯示設定等。
圖 4. 優化過程前的引數設定。
圖5 為Au 晶體結構優化過程的介面，該介面上對呼叫的Au 晶體進行結構優化，在計算時為了節省時間，減少計算量，將Au 的普通晶胞轉化為原胞結構，並對原胞結構進行幾何結構優化，當然其中也含蓋了對體系總能量的最小化計算。
圖 5. Au 晶體結構優化過程介面（優化過程以原胞結構進行計算的） 。
將優化後的晶胞進行切面，構建Au(111) 表面，並設定弛豫層，用於各晶面的結構優化和表面能的計算，圖6 為所構建的Au(111) 表面模型。
圖 6. Au(111)表面模型的構建。
對於構建的Au(111) 表面進行計算前須進行引數設定，其設定介面如圖7 所示。需要設定的引數與 Au 晶體的計算過程引數設定相同，須設定計算方法、能量計算步長、計算精度設定和顯示方法等。
圖 7. Au(111)晶面表面能計算的引數設定。
計算引數設定完成後，還需要對計算的效能引數進行設定，包括需要的計算內容，如晶面能量和態密度等，同時設定表面的弛豫層，對Au(111) 晶面擷取七層，其中中間三層為固定層，上下各兩層為弛豫層。效能引數選取介面如圖8 所示。
圖 8. MS 計算效能引數的選取。
但計算引數和效能引數設定完成後，即可對Au(111) 晶面的表面能進行計算，計算過程仍然是優化計算該晶面的能量最低結構，優化後生成相應的表面能和態密度等效能結果，其計算介面如圖9 所示。
圖 9. Au(111) 晶面表面能計算過程。
圖10 為 Au(111) 晶面表面模型計算結束後的介面，從圖中可知，圖中左上的對話方塊顯示出了一些 Au(111) 的效能檔案，這些檔案包含了在最優化結果下相應的效能計算結果，左下側的對話方塊這是對應的設定引數。
圖 10. Au(111) 晶面表面模型計算結果介面。
計算結束後，可很方便的調取各種效能計算結果，圖11 為 Au(111) CASTEP 計算結果分析介面。在該介面，可以選取任一的效能計算結果，通過顯示型別的選擇，可以以文字檔案方式顯示，也可以以圖形方式顯示出來。
圖 11. Au(111) CASTEP 計算結果分析介面。
圖12 為以文字框形式顯示的計算結果，圖13 為圖形方式顯示的計算結果（以Au(111) 面的態密度圖形為例）。
圖 12. Au(111) 計算結果的文字介面。
圖 13. Au(111) 計算結果的態密度分析介面。分類：
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