1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第四级第五级Materials Studio分子模拟软件 StudioVersion 2011 Copyright 2010, Neotrident Technology Ltd. All rights reserved.虚拟 “实验 ”（分子模拟技术）CR决定依据EA单击此处编辑母版标题样式TV单击此处编辑母版副标题样式IT单击此处编辑母版副标题样式虚拟设计Y表征材料结构，以及与结构相关的性质解释设计材料结构，以及与结构相关的性质预测Materials Studio是整合的计算模
2、拟平台 可兼顾科研和教学需求可在大规模机群上进行并行计算Studio 全面的应用领域固体物理与表面化学 客户端 -服务器 计算方式 Windows Linux- 催化、分离与化学反应- 半导体功能材料- 金属与合金 材料单击此处编辑母版标题样式, 最大限度的使用已有 IT资源 包含多种计算方法- 特种陶瓷材料- 高分子与软材料- 纳米材料单击此处编辑母版副标题样式 DFT及半经验量子力学 线形标度量子力学 分子力学- 材料表征与仪器分析- 晶体与结晶- 构效关系研究与配方设计单击此处编辑母版副标题样式 QM/MM方法 介观模拟统计方法- 分析仪器模拟 Materials StudioMenuT
3、oolbar单击此处编辑母版标题样式Property单击此处编辑母版副标题样式ViewProject单击此处编辑母版副标题样式Job statusMaterials Studio Materials Visualizer Castep Dmol3 Onetep QmeraVAMP单击此处编辑母版标题样式Forcite plus Gulp COMPASSAhCl单击此处编辑母版副标题样式 Amorphous ell Equilibria SorptionAd ti L t单击此处编辑母版副标题样式 sorp on oca or DPD MesoDyn MesociteQSAR Reflex pl
4、us Xcell Polymorph Predictor Morphology模块介绍单击此处编辑母版标题样式模块介绍单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式CASTEP 是领先的固态 DFT程序 使用平面波赝势 由 Cambridge大学 Mike Payne教授发布 每年发表的数百篇论文其研究领域包括：晶体材料结构优化 性质 究 半导体 陶瓷 金属 分子筛等单击此处编辑母版标题样式 及 性质 研 究 （ 、 、 、 ） 表面和表面重构的性质、表面化学 电子结构（能带、态密度、声子谱、电荷密度、差分电荷密度及轨道波函分析等）单击此处编辑母版副标题样式 晶体光学性质 点缺陷性质（如
5、空位、间隙或取代掺杂） 、扩展缺陷（晶体晶界、位错） 磁性材料研究单击此处编辑母版副标题样式 材料力学性质研究 材料逸出功及电离能计算 STM图像模拟 红外 /拉曼光谱模拟； 声子谱和声子态密度； EELS谱图； 反应过渡态计算 动力学方法研究扩散路径MS5.5 CASTEP的新功能1. 用于提高计算效率的 Express参数设 置 ；用于提高计算效率的 参数设 ；2. 用于修正范德瓦耳斯力的 DFT+D技术；3 LDA U用于结构优化单击此处编辑母版标题样式. + 用于结构优化 ；4. Norm-conserving赝势的正式更新；单击此处编辑母版副标题样式5. Raman光谱分析中引入对入
6、射光源波数的设定 ；6 EELS分析中引入 spin orbital coupling修正单击此处编辑母版副标题样式. 分析中引入 - coupling修正 ；7. CPU 数目的动态调整功能。密度泛函理论 (Density Functional Theory) Hohenberg Kohn 定理( ) ( ) rnErrENrrr= ,.1- 定理() ( ) ( ) () rnErnUrnTrnExcrrrr+=0单击此处编辑母版标题样式 )()()(,2rrrnvkikikieffrrrrrr =+Kohn-Sham方程单击此处编辑母版副标题样式Walter Kohn() ( ) ( )
7、rrfrniiirrr =前提条件单击此处编辑母版副标题样式i( ) rdrnN3=r局限性 只能计算体系的基态性能局限性 需要对交换相关能 Exc做近似处理单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级掺杂 ZnS 和 ZnO 电子结构差异的第一原理研究第四级第五级AIST J J MATER SCI MATER EL 14 149(2003), apan, - , 研究背景ZnO和 ZnS是两种广受关注的，具有大的禁带宽度和直接带隙的半导体材料，通常应用在蓝光以及紫外光学设备中。ZnO和 ZnS具有这样两个显著的特点：1
8、性能具有很强的设计性 可以掺入多种杂质调节其能带结构单击此处编辑母版标题样式2 便于制备加工 可以通过多种方法方便地制成薄膜单击此处编辑母版副标题样式ZnO和 ZnS之间也存在差异。除了结构上的差异外，在进行施主掺杂时，两者电导率的变化有着明显的不同。 ZnO的电导率有着明显的提高 ， 但是 ZnS则不然 ， 那么 ， 原因是什么呢 ？单击此处编辑母版副标题样式提高 ， 但是 则不然 ， 那么 ， ？AIST的研究人员针对这个问题 采用 Ct对 ZO和 ZS的电子， Castep对 ZnO和 ZnS结构进行了研究。研究思路要解决这个问题，我们需要这样一些数据：1 相同的施主杂质，相同浓度下，
9、ZnO和 ZnS的能带结构和态密度；2 由于分析的对象是 ZnO和 ZnS，所以还需要纯的 ZnO和 ZnS的能带结构和态密度；单击此处编辑母版标题样式3 由于 ZnO和 ZnS存在结构差异，为了和组成差异 (O和 S)区分，还需要做一些假设性的研究，譬如计算 ZnO和 ZnS具有相同结构时的能带结构和态密度 以及 ZO或 ZS在不同结构时的能带结构和态密度单击此处编辑母版副标题样式和态密度 ， 以及 ZnO或 ZnS ；4 为了把研究做的全面一些，还可以加上对不同浓度，不同杂质的情况的计算单击此处编辑母版副标题样式情况的计算 。有了以上 4个方面的数据，就可以从组成和结构，杂质的种类和浓度多
10、个方面分析 ZnO和 ZnS的性能差异 不过除了能带结构和态密度 (包括偏多个方面分析 和 。态密度 )，在计算的过程中，还应该附带上 Population, orbital 以及 electron density，这些数据的获取几乎不花费多余的时间，但分析的时候可以与能带结构和态密度相互印证，做一些说明。模型构建ZnO和 ZnS的结构在 Castep的 Structures文件夹中可以直接获取。在菜单中点击 File，选择 Import，然后在跳出的选框中双击 Structures文件夹，在 metal-oxides里导入 ZnO，在 semiconductors里导入 ZnS单击此处编辑母
11、版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式ZnOZnS模型构建超胞的构建在菜单中选择Build/Symmetry/Supercell在弹出的对话框中设置超胞的大小单击此处编辑母版标题样式胞的大小超胞的对称性为 P1，选择想要替换的原子后 ， 在 菜单击此处编辑母版副标题样式想要替换的原子后 ， 在 菜单中选择 Modify/Modify element,然后选择用来替换的元素 Ga 完成掺杂模型单击此处编辑母版副标题样式的元素 ， 完成掺杂模型的构建。参数设置Task: EnergyXC Function: GGA PBE -Energy cutoff: 340eVKhfi
12、单击此处编辑母版标题样式K mesh: fineUltrasoft Pseudopotential (PBE)单击此处编辑母版副标题样式SCF Tolerance: 1.0 10-6在引入 IIIA元素 Ga后，体系电荷仍设置为 0单击此处编辑母版副标题样式偏态密度图分析计算设置过程中，在 Properties栏选择 Density of state，以及 Calculate PDOS.单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式h-ZnO和 c-ZnS总的态密度图和能带结构单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式h-ZnO和
13、 c-ZnS的偏态密度图分析单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式O2p 轨道上的电子主要束缚在 O的周围 ； 在 ZnO的导带底部 ， O的轨道成分 轨道上的电子主要束缚在 的周围 ； 在 ，很少，主要由 Zn的 s， p轨道构成。h-ZnO和 c-ZnS的 Mulliken电荷和键级单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式Ga掺杂 ZnS的能带结构和态密度图单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式轨道 245#是一个新增的轨道，主要成分为 Ga的 4s。体现出很强的定域性。轨道 2
14、44#发生了一些变化，原来以 S的 2s和 2p为主，现在以 Ga的 4s和邻近的 S原子和 Zn原子轨道为主。Ga掺杂 ZnO的能带结构和态密度图单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式相比于未掺杂的情况，费米面附近没有新增的轨道。掺杂以后，费米面附近的轨道虽然同样主要由 Ga的 4s构成，但是此时， Ga的 4s并不体现出较强的定域性。结论Ga在 ZnS中与邻近的 S相互作用，生成了一个具有较强定域性的杂质能级 (electron trap)，而在 ZnO中则没有类似的能级生成，这种现象决定了 Ga掺杂 ZnS与 ZnO的导电性能单击此处编辑母版标题样式
15、差异，而这一现象产生的根本原因则是由 S和 O引起的电子结构差异 与 S和 O的结构差异无关单击此处编辑母版副标题样式子结构差异 ， 与 Zn 和 Zn 的结构差异无关 。单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级层状 MnO2光电导性的第一原理研究第四级第五级Lawrence Berkeley National Laboratory, USA, PRL 100, 146601(2008)y, US研究背景及思路纳米层状的锰氧化物由于在储能，电镀以及催化领域的潜在应用价值而成为进来广受关注的一类新
16、材料。最近， Sakai等人发现，含有 3mol%空位的 MnO2薄膜 (厚度 在 Properties栏设置 Mn的自旋态 (FormalSpinState), high 或者 low2 在 Setup中选择 use former spin as initial高低自旋态的选择要参考实验数据，如果没有实验数据， Castep也会自动优化优化 。On the fly PseudopotentialCastep中包含有一个 On the fly Pseudopotential Generator, 能够即时生成某个元素的赝势。在 Castep的赝势选择中会有 *.otfg文件，这实际上不是一个赝
17、势文件，而是一个参数文件，点击 View，我们可以看到这个参数文件的具体内容。单击此处编辑母版标题样式大体上包括这样几个部分，波矢的截断值，原子核半径，价层电子态，各电子态的电子占据数等等，具体参数的调整可以参阅 Help文档中单击此处编辑母版副标题样式CASTEP file formats OTFG下的相关内容。在这部分的研究工作中，研究人员重新定义了 Mn的价层电子态单击此处编辑母版副标题样式(3s23p63d54s2)，使价层电子数由 7变为 15(添加了 semicore state 3s, 3p)，此外，对于磁性元素，在参数文件中添加了 NLCC(核的非线性修正 )。在计算后得到的
18、*.castep文件中可以看到相应设置得到的即时赝势的结果。测试为例测试 相应的赝势以 MnO为例测试 一下 相应的赝势 。参数设置与之前基本相同，为了检验 Castep对 Spin值的优化效果， Mn的FormalSpinState设为 low Initial Spin为 1设为 ， Spin为 .结构优化的结果单击此处编辑母版标题样式实验值 理论值a 3.14295 3.18366V 21 9531 22 8174单击此处编辑母版副标题样式. .Mn-O 2.22240 2.25119单击此处编辑母版副标题样式 EMn3s和 Spin值理论值 实测值 EMn3s=5.72eV EMn3s=
19、6.05eV Spin = 4.95 5 (high) Spin =5电子结构形成 hi缺陷后 禁带宽形成 Ruetsc 缺陷后 ， 禁带宽度的减小在与价带顶部新增的轨道(0-1eV)。(0 。偏态密度分析表明，这些轨道主要由空位附近的 Mn和 O贡献 特单击此处编辑母版标题样式主要由空位附近的 和 贡献 ， 特别是 Mn的 3d和 O2Mn的 2p轨道。单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式(a) H4Mn311O64(b) H4Mn71O16电子结构单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式(a) MnO2 (b) H4Mn71O16(c) MnO2 (d) H4Mn71O16禁带宽度减小，而且没有形成定域化能级。从空间分布来看， Ruetschi缺陷形成后，改变了原来 HOMO和 LUMO“混在一块”的情况 它将两者分隔开来的情况 ， 它将两者分隔开来 。
