第一原理计算 CASTEP 实战守则 - 图文

CASTEP 实战守则

模型选定

我们在进行材料物理模拟所需要做的第一步 (也是很重要的一步) 是模型的选定或建构。CASTEP 虽然内建了很多功能来预测晶胞参数 (边长，夹角) 与原子位置，但仍然仰赖使用者告诉它 \要进行计算的系统是什么\。在选定模型时，我们需切记如果系统内原子太多或是超晶胞体积太大，则计算量都会以平面波数的 3 次方增加到计算机难以负荷或使用者难以等待的程度，]此，我时时应考虑设计出一个足以表现出我们所想要研究的物理，而却又能使所有采用的超晶胞越少越好的模型。

如果研究上涉及到一系列原子数不同的大小系统需要做计算，最好能先计算小结构，不要一开始就送入大结构到计算机中。

如果要仿真的系统是含有杂质，则单位晶胞必须进一步放大成超晶胞以便使化学成分里的分数变成整数，因此晶胞会变得很大。

在某些特殊的情况，相互取代的元素种类是很类似的，(即在化学行为上类似)，则下一个版本的CASTEP会提供一种叫做虚拟晶体近似 (Virtural Crystal Approximation，VCA) 的方法，则模型里面的原子就可以指定成如0.3A元素加0.7B元素这种样子，因此总可以以最小晶胞来做计算的模型。但这种方法的精确度通常只适用于合金材料，故要小心使用。

模型的选定有许多人为抉择会含在里面，例如表面计算的层数，因此有些情况也需要进行所谓的收敛性测试。

Vps (poseudopotential)

选择

Vps选单：

MS接口的设定是选用USP优先于NCP，USP有加速计算与减少内存使用的效果，其精确度也与NCP (norm-conserving potential) 相当。至于什么时候使用NPC呢 (就是在poseudopotential 选项中那些延伸文件名是 .recpot者)，使用到NCP的场合有：

1.某些CASTEP计算的功能尚未支持到USP，因此需要选用NCP。 2.为了要与已经发展的文献比较或进行验证 3.对计算的结果存疑者，能提供『多一种选择』

( 注：至于延伸档名是*.psp者也是属于norm-conserving的一种，是TM potential，在文献上也常被使用，但所需的截止动能较高，因此计算代价较大。) Vps information：

CASTEP/Materials Studio套件所包含的Vps都经过测试并纪录其在使用不同E-cut(截止功能)情况之下的总能收敛程度，其中后者会在使用者选定计算质量是coase，medium，fine时，依照收敛度的需求决定CASTEP进行计算时实际要用多高的平面波截止功能(及要用多少个平面波求作波函数及电荷密度的傅立业展开)。而前者以批注的方式纪录在Vps的文件头，可以使用一般的文字编辑器来阅读。我们只到在Vps数据库存放的地点 (C:\\Program Files\\Accelrys\\MS Modeling 3.0\\Data\\Resources\\Quantum\\Castep\\Potentials) 就可以直接打开阅读。

coarse medium fine：

使用coarse之E-cut所算出之总能，除以系统总原子数后，每个原子的误差在1.0 eV之内，同理：medium→0.3 eV之内，fine→0.1 eV之内。precise则是fine的E-cut值在加10% 同元素但不同的Vps：

同元素但不同的Vps，含有什么不同的选择？(1)近似半径不同 (如O_00.recpot用于氧化物，O_01.recpot用于分子) (2)价电子数不同(如13个价电子的Ga_00.recpot可用于GaN，但更简单的GaAs只需3个价电子的Ga_01即可)

最近 user 遇到的例子：以 norm-conserving potential 计算 InN ，选用了预设的In_00.recpot ，但它是为 金属态铟设计的 Vps。应选 In_01.recpot 才定合用于InN者。

精确性测试 (accuracy

test)

选择一个元素成份结构排列接近所要研究的系统，但是其单位晶胞成份是分子结构却是小得多，来进行物性的预测并与实验比较 (通常是晶胞参数或分子键长等简单的性质)

此一测试结构的选取上，往往也与什么结构恰好有实验值有关.自然在众多可能选取的已知实验所得的性质里，尽可能取与我们研究目标有关的物理量，则将来所获得结果的可信度也就越高。

收敛性测试

举凡计算物理中利用数值方法的研究，其结果都不能具有数学上相当于定理证明的效力。任何计算物理的研究为了要确保其可靠性，那需要针对\所有\的人为选择参数进行\收敛性\测试，也就是说，要以要好的参数精细度精细度去计算同一个我们所要的物理量，直到所需的物理量在我们所需要的精确度范围之内已经不在改变为止。

换句话说，对于人为选择参数，要进行一番测试以显示即便再增加精细度，也不会再改变我们所要下的科学判断或结论。

Materials Studio 及 CASTEP 针对各种需求可以允许人为条控的参数，都会设有合理的默认值，足以胜任一般常见之材料研究所需，然而，针对据挑战性或罕见的新材料物性计算，或是希望将结果发表于学术期刊，因而要接受较严格的检验的时候，仍然必须要进行收敛性测试。

常见之需要进行收敛性测试的参数有：计算品质 ( quality，即平面波截止动量)，k-点取样的密度，计算光学性质时的系统的空轨域 (未占据态) 数。空轨域用得少，在光学性质所造成的误差明显会看的出来。通常比较不需要改变的人为参数，包含 自洽场能量容忍度进行几何最佳化，原子上受力及晶胞受应力的容忍度。

其中自洽场迭带的能量容忍度就是那上一步与这一步之总能差小于多少范围之内的时候，系统便认为目标已达成而停止自洽场迭代。至于几何最佳化所设定的力学应力容忍度，则影响最佳化后晶体结构与理想最低能量结构的差异。 另外，能带结构或光学计算的作用的迭代数上限，遇到较复杂的晶体或是较繁复的交换相干能计算时，也可能需要调大。(如 BS_MAX_ITER，但这个参数要在编辑参数文件的模式下改，详见能隙修正范例)

CASTEP文献数据库

CASTEP 自从 1990 年发表学术版本及 1992 年发表商业化版本以来，已经有数百篇材料物理或化学性质的文献发表于国际期刊，Accelrys 特地为 CASTEP 的使用者编录了这些期刊，并依研究的类别及年代的依序分成两个表列，其网站在

http://www.accelrys.com/references/castep/

入门的使用者将会发现这些文献非常有参考价值，它可以告诉我们 CASTEP 已经被用过在哪一种类的材料特性的研究计算。我们也可以看出若要符合学术文件发表的条件，在使用 CASTEP 应该要如何设定相关的参数，要注意哪些精确性及收敛性测试数据的呈现，甚至在完成了计算工作，要写作论文来发表时，在方法的描述方面有什么应该要交代的，才能满足一般学术期刊所预期会要求的惯例。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4otd.html