materialstudio个人经验.docx

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materialstudio个人经验

MaterialsStudio是Accelrys专为材料科学领域开发的可运行于PC机上的新一代材料计算软件，可帮助研究人员解决当今化学与材料工业中的许多重要问题。

MaterialsStudio软件采用Client/Server结构，客户端可以是Windows98、2000或NT系统，计算服务器可以是本机的Windows2000或NT，也可以是网络上的Windows2000、WindowsNT、Linux或UNIX系统。

使得任何的材料研究人员可以轻易获得与世界一流研究机构相一致的材料模拟能力。

　　MaterialsStudio是ACCELRYS公司专门为材料科学领域研究者所涉与的一款可运行在PC上的模拟软件。

他可以帮助你解决当今化学、材料工业中的一系列重要问题。

支持Windows98、NT、Unix以与Linux等多种操作平台的MaterialsStudio使化学与材料科学的研究者们能更方便的建立三维分子模型，深入的分析有机、无机晶体、无定形材料以与聚合物。

　　任何一个研究者，无论他是否是计算机方面的专家，都能充分享用该软件所使用的高新技术，他所生成的高质量的图片能使你的讲演和报告更引人入胜。

同时他还能处理各种不同来源的图形、文本以与数据表格。

　　多种先进算法的综合运用使MaterialStudio成为一个强有力的模拟工具。

无论是性质预测、聚合物建模还是X射线衍射模拟，我们都可以通过一些简单易学的操作来得到切实可靠的数据。

灵活方便的Client-Server结构还是的计算机可以在网络中任何一台装有NT、Linux或Unix操作系统的计算机上进展，从而最大限度的运用了网络资源。

　　ACCELRYS的软件使任何的研究者都能达到和世界一流工业研究部门相一致的材料模拟的能力。

模拟的内容囊括了催化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以与材料特性等材料科学研究领域的主要课题。

　　MaterialsStudio采用了大家非常熟悉Microsoft标准用户界面，它允许你通过各种控制面板直接对计算参数和计算结构进展设置和分析。

模块简介：

根本环境

MS.MaterialsVisualizer

分子力学与分子动力学

MS.DISCOVER

MS.PASS

MS.AmorphousCell

MS.Forcite

MS.ForcitePlus

MS.GULP

MS.Equilibria

MS.Sorption晶体、结晶与X射线衍射

MS.PolymorphPredictor

MS.Morphology

MS.X-Cell

MS.Reflex

MS.ReflexPlus

MS.ReflexQPA量子力学

MS.Dmol3

MS.CASTEP

MS.NMRCASTEP

MS.VAMP高分子与介观模拟

MS.Synthia

MS.Blends

MS.DPD

MS.MesoDyn

MS.MesoPro定量结构-性质关系

MS.QSAR

MS.QSARPlus 

MS.Dmol3Descriptor根本环境

·MSVisualizer　PDF文件下载

提供了搭建分子、晶体、界面、外表与高分子材料结构模型所需的所有工具，可以操作、观察与分析计算前后的结构模型，处理图型、表格或文本等形式的数据，并提供软件的根本环境和分析工具以支持MaterialsStudio的其它产品。

是MaterialsStudio产品系列的核心模块。

同时MaterialsVisualizer还支持多种输入、输出格式，并可将动态的轨迹文件输出成avi文件参加到Office系列产品中。

MS4.0版本增加了纳米结构模建、分子叠合以与分子库枚举等功能。

分子力学与分子动力学

·MS.DISCOVER　PDF文件下载

Discover是MaterialsStudio的分子力学计算引擎。

它使用了多种成熟的分子力学和分子动力学方法，这些方法被证明完全适应分子设计的需要。

以多个经过仔细推导的力场为根底，Discover可以准确地计算出最低能量构象，并可给出不同系综下体系结构的动力学轨迹。

Discover还为AmorphousCell等产品提供了根底计算方法。

周期性边界条件的引入使得它可以对固态体系进展研究，如晶体、非晶和溶剂化体系。

另外，Discover还提供强大的分析工具，可以对模拟结果进展分析，从而得到各类结构参数、热力学性质、力学性质、动力学量以与振动强度。

·MS.PASS　PDF文件下载

PASS是“Condensed-phaseOptimizedMolecularPotentialforAtomisiticSimulationStudy〞的缩写。

它是一个支持对凝聚态材料进展原子水平模拟的功能强大的力场。

它是第一个由凝聚态性质以与孤立分子的各种从头算和经验数据等参数化并验证的从头算力场。

使用这个力场可以在很大的温度、压力X围内准确地预测出孤立体系或凝聚态体系中各种分子的构象、振动与热物理性质。

在PASS力场地最新版本中，Accelrys参加了45个以上的无机氧化物材料以与混合体系〔包括有机和无机材料的界面〕的一些参数，使它的应用领域最终包含了大多数材料科学研究者赶兴趣的有机和无机材料。

你可以用它来研究诸如外表、共混等非常复杂的体系。

PASS力场是通过Discover模块来调用的。

·MS.AmorphousCell　PDF文件下载

AmorphousCell允许你对复杂的无定型体系建立有代表性的模型，并对主要性质进展预测。

通过观察体系结构和性质的关系，可以对分子的一些重要性质有更深入的了解，从而设计出更好的新化合物和新配方。

可以研究的性质有：

内聚能密度（CED）、状态方程行为、链堆砌以与局部链运动、末端距和盘旋半径、X光或中子散射曲线、扩散系数、红外光谱和偶极相关函数等。

AmorphousCell的特征还包括提供：

任意共混体系的建模方法〔包括小分子与聚合物的任意混合〕、特殊的产生有序的向列型中间相以与层状无定型材料的能力〔用于建立界面模型或适应粘合剂与润滑剂研究需要〕、限制性剪切模拟、研究电极化和绝缘体行为的Poling法、多温循环模拟以与杂化的蒙特卡罗模拟。

AmorphousCell的使用需要Discover分子力学引擎的支持。

·MS.Forcite　PDF文件下载

先进的经典分子力学工具，可以对分子或周期性体系进展快速的能量计算与可靠的几何优化。

包含Universal、Dreiding等被广泛使用的力场与多种电荷分配算法。

支持二维体系的能量计算。

MS4.0版本中可以进展刚体优化，同时还参加了分析Discover所产生的.arc和.his轨迹文件的功能.

·MS.ForcitePlusPDF文件下载

先进的经典力学模拟工具，能够进展能量计算、几何优化、动力学模拟。

可对从简单分子到二维外表到三维周期等X围很广的结构进展上述操作。

一整套的分析工具可用来对诸如偶极相关等复杂性质进展分析。

MS4.0版本中可以进展刚体优化，同时还参加了分析Discover所产生的.arc和.his轨迹文件的功能。

·MS.GULP

GULP是一个基于分子力场的晶格模拟程序，可以进展几何结构和过渡态的优化，离子极化率的预测，以与分子动力学计算。

GULP既可以处理分子晶体，也可以计算离子性的材料。

GULP可以计算的性质包括：

氧化物的性质，点缺陷、掺杂和空隙，外表性质，离子迁移，分子筛和其他多孔材料的反响性和结构，陶瓷的性质，无序结构等，可应用于多相催化、燃料电池、核废物处理、蒸气电解、气体传感器、汽车尾气催化以与石油化工等诸多工业领域。

·MS.Equilibria　PDF文件下载

使用独有的NERD力场来计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的气液、液液相图，溶解度作为温度、压力和浓度的函数也可同时得到，还可计算单组分体系的二阶virial系数，临界常数和共存曲线可以通过IsingScaling分析得到。

适用领域包括石油与天然气加工过程〔如凝析气在高压下的性质〕、石油炼制〔重烃相在高压下的性质〕、气体处理、聚烯烃反响器〔产物控制〕、橡胶〔作为温度和浓度的函数的不同溶剂的溶解度〕。

最新的版本中可计算的体系增加了：

主要的醇类、硫化物、硫醇、氢化硫和氮气。

·MS.Sorption PDF文件下载

使用GrandCanonicalMonteCarlo（GCMC）方法预测分子在微孔材料（如分子筛）中的吸附性质，可用于吸附等温线、结合位、结合能、扩散途径与分子选择性的研究。

晶体、结晶与X射线衍射

·MS.PolymorphPredictorPDF文件下载

Polymorph是一个算法集，目的是测定晶体的低能多晶型。

此方法可以与实验衍射数据相关联或者仅仅使用材料的化学结构来实现此目的。

晶体的多晶型可能会导致不同的性质，因此判断哪种晶型更加稳定或者接近稳定态势非常重要的。

在处理过程中微小的改变都会导致稳定性的大幅度变化。

Polymorph中的相似性挑选和聚类算法允许用户将相似模型归类，从而节省计算时间。

·MS.Morphology　PDF文件下载

从晶体的原子结构来模拟晶体形貌。

可以预测晶体外形，研发特殊效果的掺杂成分，控制溶剂和杂质的效应。

·MS.X-CellPDF文件下载

已申请专利的X-Cell是一种全新、高效、综合、易用的指标化算法，它使用消光决定〔extinction-specific〕的二分法方法对参数空间进展详尽无遗的搜索，最终给出可能的晶胞参数的完整清单。

在许多情况下显示出比DICVOL、TREOR和ITO更高的成功率。

X-Cell可以很好的处理粉末衍射指标化中的许多难点，如样品含有杂质相、峰位重叠、零点偏移、极端形状的晶胞等。

·MS.Reflex　PDF文件下载

模拟晶体材料的X光、中子以与电子等多种粉末衍射图谱。

可以帮助确定晶体的结构，解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。

模拟的谱图可以直接与实验数据比拟，并能根据结构的改变进展即时的更新。

粉末衍射指标化算法包括：

TREOR90,DICVOL91,ITOandX-cell。

结构精修工具包括Rietveld精修和Pawley精修。

。

·MS.ReflexPlus　PDF文件下载

在Reflex标准功能的根底上参加已被广泛验证的PowderSolve技术，提供了一套可以从高质量的粉末衍射数据确定晶体结构的完整工具。

包括粉末指标化、Pawley精修、解结构以与Rietveld精修。

结构的全局搜索过程可以选用MonteCarlo模拟退火和MonteCarlo并行回火两种算法之一，求解过程中同时考虑到了优先取向的影响。

·MS.ReflexQPAPDF文件下载

利用粉末衍射数据与Rietveld方法进展定量相分析的强大工具，可以通过多相样品的粉末衍射图判定不同组成成分相比照例的。

用于化学品或医药工业中有机或无机材料组成成分确实定。

量子力学

·MS.DMol3　PDF文件下载

独特的密度泛函〔DFT〕量子力学程序，是唯一可以模拟气相、溶液、外表与固体等过程与性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域。

可用于研究均相催化、多相催化、半导体、分子反响等，也可预测诸如溶解度、蒸气压、配分函数、溶解热、混合热等性质。

可计算能带结构、态密度。

基于内坐标的算法强健高效，支持并行计算。

MS4.0版本中参加了更方便的自旋极化设置，可用于计算磁性体系。

4.0版本起还可以进展动力学计算。

·以计算固体材料的红外光谱。

关于K点

1.应当使用多少个k网格？

很难一般地回答，只能给出一般建议。

注意：

一定要检查k网格，首先用较粗糙的网格计算，接下来用精细的网格计算。

通过比拟两次的结果，决定选用较粗糙的网格，或是继续进展更精细网格的计算，直到达到收敛。

金属体系需要精细的网格，绝缘体使用很少的k点通常就可以。

小单胞需要精细格点，大单胞很可能不需要。

因此：

单位晶胞内原子数很多〔比如40-60个〕的绝缘体，可能仅需要一个〔移动后的〕k点。

另一方面，面心立方的铝可能需要上万个k点以获得好的DOS。

对于孤立原子或分子的超晶胞，仅需要在Gamma点计算。

对于外表〔层面〕的超晶胞计算，仅需要〔垂直于外表〕z方向上有1个k点。

甚至可以增加晶格参数c，这样即使对精细格点，沿z方向上也只产生一个k点〔产生k点后，不要忘记再把c改回〕。

2.当体系没有出现时间反演对称操作时，是否参加？

大多数情况下的回答是“是〞，只有包含自旋-轨道耦合的自旋极化〔磁性〕计算除外。

这时，时间反演对称性被破坏〔+k和-k的本征值可能不同〕，因此决不能参加时间反演对称性。

3.是否移动k网格？

〔只对某些格子类型有效〕

“移动〞k网格意味着把所有产生的k点增加（x,x,x），把那些位于高对称点〔或线〕上的k点移动到权重更大的一般点上。

通过这种方法〔也即众所周知的“特殊k点方法〞〕可以产生等密度的，k点较少的网格。

通常建议移动。

只有一点注意：

当对半导体的带隙感兴趣时〔通常位于Gamma，X，或BZ边界上的其它点〕，使用移动的网格将不会得到这些高对称性的点，因此得到的带隙和预期结果相比或大或小。

这个问题的解决：

用移动的网格做SCF循环，但对DOS计算，改用精细的未移动网格。

关于k空间布点的问题，建议参阅以下文献Phys.Rev.B49,16223（1994）

如何构建缺陷晶体结构

晶体结构改成P1，然后去掉想抹去的原子就可以了

在ms中如何做空穴

对于金属缺陷，是直接剪切一个原子？

个人经验：

就是直接把原子去掉就ＯＫ；如果不是正版软件，有可能出现同时去掉其他同位置的原子，如果这种情况，就重新定义，问题就不会出现了．还有，一般考虑孔穴的时候，都要标明哪些原子的迟豫，具体为什么不知道，国外的文献有提到．希望有做空位的一起多讨论．我Ｑ：

１８３８７６４０２

PDOS选项

计算DOS时，选择PDOS，可以画出s,p,d轨道的DOS，但无法画出某一个原子的s,p,d图

关于PDOS的Chart中求积分的问题

在用Castep计算出PDOS后,如何在Chart中对曲线局部进展积分?

将Chart输出为cav格式,然后在excel中求和?

简单，把数据导出，在Origin里作图，程序里有积分微分卷积功能，在数据分析下面。

作图时选取积分X围。

优化结构

算能带一般需要优化结构。

如果选择实验的参数，全部固定的话就不需要了

如何做二维电子密度图

MS结果文件夹中*.grd文件内存储的是三维空间各点的电荷密度值，利用这个数据就可以得到二维的电荷密度等值线图,应该有专门的软件能画,不过用matlab编自己编程序也不难，其中关键命令是contourslice，实现在某一平面内绘制等高线

对DOS图的分析

根据DOS的积分曲线可以计算出，对于外表Nb和C原子，大约有16.8%和14.8%的电子态集中在4.0~2.0eV的区域，而对体相原子如此分别为6.4%和6.0%

外表吸附

我做H在ZnO上吸附。

刚开始时后我构建的吸附构型忘记imposesymmetry了，Groupname 是P1。

在第二次计算的时候我加上了symmetry。

两次计算差异出来了：

〔1〕首先是imposesymmetry后，supercell中的原子位置由原来的现面跑到了上面，也就是和真空层换了一下位置！

而且吸附原子竟然超出了supercell的白色线框！

〔2〕比拟两次计算的DOS，一模一样；但是两次计算的BandStructure却有很大差异！

回答：

1〕只是显示问题

〔2〕BandStructure有很大差异是指那种差异？

使用不同对称性计算能带时，默认计算的K点是不同的，所以图像肯定不同。

如果你确定是选择计算了同样的K点，能带结构仍然不同，那可能是采用对称后结构变化导致的。

如何计算结构中某一元素的分波态密度

1.我最近看了关于氧气锌的论文，上面有锌原子的分波态密度图，可是我怎么都没算出来，一直得到氧和锌原子的分波态密度，希望哪位大侠指教

2.在计算性质选择了计算densityofstate是，对话框下面有一个口calculatePDOS,把它勾选上，计算成功后，在分析就能看到总态密度和分态密度，随你选择。

3.按照楼上的指导计算成功后，需要哪个原子的PDOS,就选中哪个原子，然后在analysis里DOS项前打勾，partial项打勾，再view就ok了。

有关能带分析

能带图分析

能带图的横坐标是在模型对称性根底上取的K点。

为什么要取K点呢？

因为晶体的周期性使得薛定谔方程的解也具有了周期性。

按照对称性取K点，可以保证以最小的计算量获得最全的能量特征解。

能带图横坐标是K点，其实就是倒格空间中的几何点。

其中最重要也最简单的就是gamma那个点，因为这个点在任何几何结构中都具有对称性，所以在castep里，有个最简单的K点选择，就是那个gamma选项。

纵坐标是能量。

那么能带图应该就是表示了研究体系中，各个具有对称性位置的点的能量。

我们所得到的体系总能量，应该就是整个体系各个点能量的加和。

记得氢原子的能量线吧？

能带图中的能量带就像是氢原子中的每条能量线都拉宽为一个带。

通过能带图，能把价带和导带看出来。

在castep里，分析能带结构的时候给定scissors这个选项某个值，就可以加大价带和导带之间的空隙，把绝缘体的价带和导带清楚地区分出来。

DOS叫态密度，也就是体系各个状态的密度，各个能量状态的密度。

从DOS图也可以清晰地看出带隙、价带、导带的位置。

要理解DOS，需要将能带图和DOS结合起来。

分析的时候，如果选择了full，就会把体系的总态密度显示出来，如果选择了PDOS，就可以分别把体系的s、p、d、f状态的态密度分别显示出来。

还有一点要注意的是，如果在分析的时候你选择了单个原子，那么显示出来的就是这个原子的态密度。

否如此显示的就是整个体系原子的态密度。

要把周期性结构能量由于微扰裂分成各个能带这个概念印在脑袋里。

最后还有一点，这里所有的能带图和DOS的讨论都是针对体系中的所有电子展开的。

研究的是体系中所有电子的能量状态。

根据量子力学假设，由于原子核的质量远远大于电子，因此奥本海默假设原子核是静止不动的，电子围绕原子核以某一概率在某个时刻出现。

我们经常提到的总能量，就是体系电子的总能量。

这些是我看书的体会，不一定准确，大家多多批评啊！

如何分析第一原理的计算结果

转自：

c:

\iknow\docshare\data\cur_work\\phpwind\frame\

转自量化网c:

\iknow\docshare\data\cur_work\\

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

摘要：

本文总结了对于第一原理计算工作的结果分析的三个重要方面，以与各自的假设干要点用第一原理计算软件开展的工作，分析结果主要是从以下三个方面进展定性/定量的讨论：

1、电荷密度图〔chargedensity〕；

2、能带结构〔EnergyBandStructure〕；

3、态密度〔DensityofStates，简称DOS〕。

电荷密度图是以图的形式出现在文章中，非常直观，因此对于一般的入门级研究人员来讲不会有任何的疑问。

唯一需要注意的就是这种分析的种种衍生形式，比如差分电荷密图〔def-ormationchargedensity〕和二次差分图〔differencechargedensity〕等等，加自旋极化的工作还可能有自旋极化电荷密度图〔spin-polarizedchargedensity〕。

所谓“差分〞是指原子组成体系〔团簇〕之后电荷的重新分布，“二次〞是指同一个体系化学成分或者几何构型改变之后电荷的重新分布，因此通过这种差分图可以很直观地看出体系中个原子的成键情况。

通过电荷聚集〔accumulation〕/损失〔depletion〕的具体空间分布，看成键的极性强弱；通过某格点附近的电荷分布形状判断成键的轨道〔这个主要是对d轨道的分析，对于s或者p轨道的形状分析我还没有见过〕。

分析总电荷密度图的方法类似，不过相对而言，这种图所携带的信息量较小。

能带结构分析现在在各个领域的第一原理计算工作中用得非常普遍了。

但是因为能带这个概念本身的抽象性，对于能带的分析是让初学者最感头痛的地方。

关于能带理论本身，我在这篇文章中不想涉与，这里只考虑已得到的能带，如何能从里面看出有用的信息。

首先当然可以看出这个体系是金属、半导体还是绝缘体。

判断的标准是看费米能级和导带〔也即在高对称点附近近似成开口向上的抛物线形状的能带〕是否相交，假设相交，如此为金属，否如此为半导体或者绝缘体。

对于本征半导体，还可以看出是直接能隙还是间接能隙：

如果导带的最低点和价带的最高点在同一个k点处，如此为直接能隙，否如此为间接能隙。

在具体工作中，情况要复杂得多，而且各种领域中感兴趣的方面彼此相差很大，分析不可能像上述分析一样直观和普适。

不过仍然可以总结出一些经验性的规律来。

主要有以下几点：

1〕因为目前的计算大多采用超单胞〔supercell〕的形式，在一个单胞里有几十个原子以与上百个电子，所以得到的能带图往往在远低于费米能级处非常平坦，也非常密集。

原如此上讲，这个区域的能带并不具备多大的解说/阅读价值。

因此，不要被这种现象吓住，一般的工作中，我们主要关心的还是费米能级附近的能带形状。

2〕能带的宽窄在能带的分析中占据很重要的位置。

能带越宽，也即在能带图中的起伏越大，说明处于这个带中的电子有效质量越小、非局域〔non-local〕的程度越大、组成这条能带的原子轨道扩展性越强。

如果形状近似于抛物线形状，一般而言会被冠以类sp带〔sp-likeband〕之名。

反之，一条比拟窄的能带明确对应于这条能带的本征态主要是由局域于某个格点的原子轨道组成，这条带上的电子局域性非常强，有效质量相对较大。

3〕如果体系为掺杂的非本征半导体，注意与本征半导体的能带结构图进展比照，一般而言在能隙处会出现一条新的、比拟窄的能带。

这就是通常所谓的杂质态（dopingstate），或者按照掺杂半导体的类型称为受主态或者施主态。

4〕关于自旋极化的能带，一般是画出两幅图：

majorityspin和minorityspin。

经典的说，分别代表自旋向上和自旋向下的轨道所组成的能带结构。

注意它们在费米能级处的差异。

如果费米能级与majorityspin的能带图相交而处于minorityspin的能隙中，如此此体系具有明显的自旋极化现象，而该体系也可称之为半金属〔halfmetal〕。

因为majorityspin与费米能级相交的能带主要由杂质原子轨道组成，所以也可以此为出发点讨论杂质的磁性特征。

5〕做界面问题时，衬底材料的能带图显得非常重要，各高对称点之间有可能出现不同的情况。

具体地说，在某两点之间，费米能级与能带相交；而在另外的k的区间上，费米能级正好处在导带和价带之间。

这样，衬底材料就呈现出各项异性：

对于前者，呈现金属性，而对于后者，呈现绝缘性。

因此，有的工作是通过某种材料的能带图而选择不同的面作为生长面。

具体的分析应该结合试验结果给出。

〔如果我没记错的话，物理所薛其坤研究员曾经分析过$\beta$-Fe的（100）和（111）面对应的能带。

有兴趣的读者可进一步查阅资料。

〕

原如此上讲，态密度可以作为能带结构的一个可视化结果。

很多分析和能带的分析结果可以一一对应，很多术语也和能带分析相通。

但是因为它更直