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预测锗的热力学性质 目的：介绍CASTEP在计算线性响应和热力学性质上的应用。 模块：Materials Visualizer、CASTEP 时间： 先决条件： 背景： 线性响应或密度泛函微扰理论(density functional perturbation theory－DFPT)，是最流行的点阵动力学从头算方法之一，然而，这种方法的适用性超越了振动性能的研究。相对于给定的扰动，线性响应提供了一种计算总能量二阶导数的分析方法。依靠这种扰动的本性，可以计算许多性能。在离子位置的扰动给出了动力学矩阵和声子；在磁场中－核磁共振反应(NMR)；在单位晶格矢量中－弹性常数；在电场中－介电响应等。声子的基本理论或者点阵扰动在晶体中被很好的理解了，并且已经在几本教材中被描述地进行了描述。通过依据声子可被理解的大量的物理性能，说明了点阵扰动声子解释的重要性：红外、拉曼和中子散射光谱；比热、热膨胀和热传导；电子－声子相互作用、电阻系数和超导电性等。密度泛函理论 (DFT) 方法适用于预测这些性能，而CASTEP提供了这个功能。 注：对金属的DFPT声子计算和那些使用超软赝势方法尚未得到支持，然而，声子谱和相关性能可以在有限差分技术框架内进行计算。 介绍： 在本教程中，将要学习如何使用CASTEP执行线性响应计算，以便计算声子散射和态密度，同时预测热力学性质，如焓和自由能。 1. 优化Ge晶胞的结构 从输入Ge的晶体结构开始，它包含在Materials Studio提供的结构库中。 从菜单栏选择File | Import，定位到structures/metals/pure metals并选择Ge.msi。 将结构转化为原胞通常会使计算得到显著加速。 从菜单栏选择Build | Symmetry | Primitive Cell。 显示Ge原胞。 图5－28 Ge原胞结构 现在使用CASTEP 优化Ge 的几何结构。 从工具栏选择CASTEP工具，然后选择Calculation或者从菜单栏选择Modules | CASTEP | Calculation。 显示CASTEP Calculation对话框。 图5－29 CASTEP Calculation对话框Setup选项卡 几何结构优化的默认值不包括晶胞优化。 在Setup选项卡上，将Task从Energy改为Geometry Optimization，将Functional（函数）改为LDA（线性线性判别式分析）。 点击More...按钮，在CASTEP Geometry Optimization对话框中选中Optimize cell（优化细胞）。 在Electronic（电子）选项卡上设置Energy cutoff（截止能量）为Ultra-fine，设置SCF tolerance（宽容）为Ultra-fine(超细)，设置k-point set（K点集）为Coarse(粗)，设置Pseudopotentials（赝势）为Norm-conserving（模守恒）。 选择Job Control选项卡，选择Gateway为你希望运行job的位置，设置Runtime optimization为Speed。 点击Run开始job。 Job被提交并开始运行，大约需要花费两分钟，取决于计算机的速度。结果被放置在Ge CASTEP GeomOpt目录中。 2. 计算声子散射和声子态密度(DOS) DFPT理论提供了一个精确计算倒易空间中任意给定点声子频率的机会，然而，对每个q-point都计算是昂贵的。可以使用一种替代的计算方法，这需要大量q-points的声子频率，例如对声子态密度和热力学性质。这种方法利用了晶体中相对短距离有效的离子－离子相互作用。可以使用插值以减少计算时间而不丧失精度。只有在少数q-vectors 时，才能执行精确的DFPT计算，然后使用廉价的插值程序以获得其它感兴趣q-points的频率。使用插值方案代替精确计算的一个优势是低温时的热力学性质强烈地依赖于声子态密度表格中的points 数目。使用插值方法，可以在没有计算花费时增加该数目。 为了计算声子散射和声子态密度，必须在CASTEP Calculation对话框Properties选项卡上选择适当的性能，之后执行单一点能量计算。 确保Ge CASTEP GeomOpt目录下的Ge.xsd文件为活动文档。 在CASTEP Calculation对话框上选择Setup选项卡，设置Task为Energy。 选择Electronic选项卡，点击More...按钮，显示CASTEP Electronic Options对话框。选择SCF选项卡，选中Fix occupancy。关闭CASTEP Electronic Options对话框。