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Materials Studio 與 CASTEP 快速入門

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    Materials Studio 與 CASTEP 快速入門

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    unit_MS_quick-start 打开 Materials Sautio,它会问是要开始一个新的 project 还是要打开一个前次的 project。如果是第一次用的话要选开启新的 project ,如果一旦这样回答的话,它还问你是什么 project,那我们就给它一个 project 的名称。我们现在要以氯化钠为例,你可以给任何名称,但是我现在要以 NaCl 为名称。 一开始进来要先介绍几个重要的窗口,它们关系到我们进行模拟计算时所会处理及操作到的对象。姑且可以分为这三类:一、进行计算的工作,己跑完的、正在跑的都算;二、计算工作总是有各有些不同的输入与输出档案,我们经常会需要审视结果、修改输出入的相关设定;三、材料的原子及电子结构 3D 模型带有很多我们想要知道之关于这个材料的物性数据,例如晶体的晶胞边长、原子的元素种类等等。从 Veiw 的 Explorer ,它有三个 Explorer,job Exploroer、project exploroer、property explorer 。 job explorer 的开跟关是这样按一次它就开起来。这个是你跑什么 job 近端远程它都可以显示,跑完了没有、要不要把它移除等等,在这边都可以操作,有很多 job 的时候会很好用。project explorer 默认值是开着的,就是靠左边垂直的这一块,里面对于跑 project 的相关对象,如文字输出、3D结构等等都是在这里选取,很像微软窗口 (MS Windows) 里头的『档案总管』。要做东西总是需要选取一个 job 相关的目录等等,所以 job explorer 在操作上来讲是很重要的。另外我也常常会打开的是 property explorer ,property explorer 在 MS 是新的东西,相对 Cerius2 而言是新的东西。在 Cerius2 里如果你想要知道一些 3D 对象的属性,像是键长、键角,晶胞内原子数,就要分别去打开一些相关的窗体,它才会印给你看,然而初学者还得学会这些窗体藏在那里。但是现在新的 property explorer,你只要是3D对象有呈现的状况之下,可以直接在上面显现出来,这些待会都会有例子来为大家介绍。也就是说,这是一个非常方便的东西,你都不必记住要打开哪些选单你才可以看到它,各种可以看得见的特性还有可以改得到的选项通通都是在 property explorer。     一个要跑 CASTEP 的方法,你首先要有晶胞,里面建立原子结构,你可以透过 file ==> import 打开来进入 structure有内建的分类,然后里面有选单,这个你可以得到, 我现在要示范的是你自己用手工输入氯化钠的晶体结构,首先的做法先打开 new document,有很多种类可以选,我们要选 3d atomistic document ,确定之后会给出一个空的3d 对象的工作稿,   然后到 build 的地方按 crystal ,它所打开来的东西首先会要我输入 space group ,跟据 icsd 上查到的是225 ,把 225 输进去,把鼠标在别的地方点一下它就会显示出 225 的 fm-3m 结构。 option 里面偶尔看一下是好,那这个地方目前没有其它的option,接下来下一步到 lattice parameter ,里面不能够填的都灰色化,能填的在这边,那它的a 是 5.64 ,所以把 5.64打进去,其实我已经可以 apply 了,apply 之后它就会做一个出来,那 option 后面其实可以不用管,其本上是预设就好,这里的 option 是为了整个晶包在绝对坐标里面排列成某个特定方向,这里可以选,lattice option 这里 orientation standard,一般而言预设的就可以了。 选单关起来,这里我们已经有一个有空间群、有晶包边长的 model ,再来我们要加入原子。从选单上有个 + ,然后有一颗蓝色球,按下去,这就是加原子, 选择我们要的原子 Na 然后名字它自己会补,abc它默认是用分数坐标 abc,我们看icsd告诉我们刚好是零,所以我就加上去,这是第一颗, 另外 cl 在icsd告诉我们是0.5 0.5 0.5 所以我们也把它加下去,当然我们已经在3d 的 model 里面看到这个实在是非常像氯化钠晶体,但是我们为了进一步确认的话很想要看一看某个窗体白纸黑字告诉我们 NaCl 的比例相同,在这个情况下我们来到 property explore 的 filter ,filter 选单拉下来有 3D lattice , atom, 跟 symmetry system, 这个晶包里面有什么东西是属于 symmetry system的,我们选下去以后所有跟这个晶包 symmetry system 相关的信息都会显现,从 cell formula 这里我们可以看到 Na 4 Cl4 所以果然确定目前的晶包大小是一个八颗原子的氯化钠晶包,并且比例是1:1 没有问题,甚至像密度体积等等的这些它都一并给出来,接下来我要补充,如果你打开 filter 里面的 3d lattice 的地方,你也可以同时看到角度 alpha betta gamma 以及它是什么对称性,还有晶包边长,以晶包边长为例,如果你去双击它的话可以当场改,所以这就是有别于 cerius2 的好处,cerius2 你要回到某个选单打开来然后改,那这边所有你看得到的东西你统统可以在这边改,甚至如果鼠标的指针去按到晶格的框框,它自动会跳3d lattice,我再做一次给大家看,比方说我来取消它,那这边是 All,那我来选 3d lattice ,它知道你要选择 3d lattice ,会自动跳出来给你看,如果选择原子,那原子就跳出来给你看,所以这是一个非常方便的 property explorer 这是它新的界面最强的之一, 那么我就顺便再讲一点在3d操纵时我们所会用到的设定,鼠标来到3d 工作稿里头右键单击的话会打开一个跳出选单,里头的 display style 的部份呢基本上决定了各式各样3d对象的表现方式,这个部份呢跟物性没有关系,纯粹是一个图像处理跟3d 几何,比方说 atom 选项里面的 display style 我们选性状的,选设线状,选 stick 选 ball & stick 等等 , cross pack 这些都可以马上反应在结构的表现不同上,那 lattice 也有各种选项等等,那这种选项还有很多种,总之这些都是跟 3d 有关的, 那我们因为还没有算很多所以这个部份我也不必讲太多,我先回到 line,那我另外还要讲的一样是右键单击它另外有一个 lable 这个东西也很常用,lable 打开呢就让你可以选择你在什么样的 object 的 object type 要 lable ,你能够 lable 原子,你也能够 lable 化学键,这边因为目前这个晶包面没有任何化学键,所以它不会有化学键给你选,那我们常会用到的是要把原子的位置上打上化学的原素符号,那我们就来在 object item 下来按 element symbol ,你不要按 element name, element name 是元素名称,字比较长,element symbol 选下去然后按 apply,那么就显现了所有的原子什么样的原子的字就都出来了,这里呢你还可以选择字形的大小,你可以先把它 remove 掉,我现在先把它 remove 掉,我现在再一次 element name 要用比较小号一点的文字,所以说这非常的方便, 那么光是原子结构的 3d 操控基本上是这样,对于如何细部去移动原子切割原子的话将来我们有机会再其它的单元课程中再来说明怎么样来切割或移动东西。那么我们今天的目标呢是一路就要把我们做出来的晶包直接进行光学性质计算,所以我们紧接着就要开始。首先这个晶体其实并不是 premitive unit cell ,并不是最小体积的晶体,我们可以在 build 选单的 symmetry 里面去选 premitive cell 按下去,它会把它转成 premitive,这个 premitive cell 你马上可以从 property explorer 里面的 symmetry system 里面看到说其实 cell formula 已经是 NaCl 了,所以说它已经是大大的减小,Na 和 Cl 已经是各有一颗,我要在这样比较简化的状况之下来进行光学计算, 要进行计算我们到选单上的符号里面是一进波浪的这个,这是代表 castep 模块,因为它是以平面波作为基底, 我们要选择能量的部份,至于说 setup 里面的 task 你可以做很多不同的 task,这些不同的 task 将来有其它部份的教材来继续做完整的介绍,选择 task 的情况之下再来 quality 我们选择自己比较放心的 medium 或是 fine,那我们先选择 medium 好了, 再来我在 electronic 的部份这个选单,它控制了计算的精确度,里面有一个 more 选表你可以看到 electronic option 的选单,这个选单里面有好多项, basis、kpoint、scf、potentials 这些,这些细节都可以选,我们通常会遇得到要特别选的地方通常是为了要增加计算上的效能,来到 scf 这里勾选 fix occupency ,这个 fix occupency 是只能用在绝缘体的,当你知道你的计算是绝缘体的时候,当然会比较节省时间,不然它永远会把它当作金属来算会比较慢一点,但是这也不失为是一种保险的方法,那我今天因为是要来计算氯化钠,我本来就知道它是一个绝缘体,那我就勾选它,这样会让我的计算更快。 这个选单里面有许多属于专家级的微细调控,当末来你所需要的精确度跟你所能允许的计算时间性能要有一个权衡的时候你就要靠这些相关数值的调控来做到花最少时间来做到最精密的计算,然后重要的一点现在我们来到 property 这里,刚刚在 setup 选项里面选了 tasks 的 energy,那么在 property 里进可以进一步指定我要附加计算哪一些特性,比如说能带结构我要,我就把它勾起来,density of state 我要我就把它勾起来,那么光学性质我要我就把它勾起来,是这样子来选的,那么如果说你有与趣试试不同种类计算的话呢我先警告这个 phonon dispersion 跟 phonon density of state 这两个是相当耗时间的计算,如果说你要把它丢在 pc 的计算机的话你点型的等待有可能是三两天也有可能是一两周这样子,看你不同的晶包大小,所以说这是很贵的,其它都还算是比较不会太贵的计算,那我们现在是为了示范光学计算,所以说我就勾选了能带结构,态密度跟optical property ,其中态密度这个部份我进一步还要选择要求计算投影态密度,projected density of state ,那这个其它的就用默认值。 那现在我来到 job control,job control 里面有一个 gateway location ,它里面是在指定说到底要在哪一台计算机跑,那我目前的示范是要在本机,所以就选 my computer ,那么如果你什么特定要求都没有就这样子丢下去也可以,但是呢为了要将来管理方便呢最好能够将 job description 自己给定,所以把 automatic 的勾取消掉,自己给一个名称,那我目前的状况呢当然是写NaCl ,自己给名称给一下,然后就可以按底下的 run ,但是如果你是在远程的机器上跑的话,非除你要它跑完不要的档案也要从远程 server 上去掉,不然你可以勾选 more 选单里面的 retain server file,这个如果勾起来的话,跑完的时候档案会在 server 上留一份,下载的时候不会杀掉,但是这样子也要小心,因为这样会造成用了没多久以后硬盘空间都占满了,所以说这是一个两相权衡,看看这个先留在 server ,将来要定期的清除,或着是说要直接杀掉。 总之现在已经决定了在 my computer 上来跑,那我们一切的设定都选好了以后呢就可以按这个 run ,把它按下去,按下 run 以后你会看到它跳出这个它在报告计算情况的选单,这是2.2 会出现的,如果是3.0的话这个选单可能不会出现,并且你在 job description 的地方你也会看到这个什么样的 job 并且这个随机数取出来的 id,那么他的这个在哪一台机器上跑,用了什么东西跑server,就是用什么东西跑 castep ,它的 status 状态呢是正在跑running 等等,如果你想要让它中止的话你可以直接用鼠标点选你要的 job,它会被标亮起来,右键单击它有一个 action ,你可以看它可以做什么,那目前因为 job 正在跑,所以你唯一能做的就是stop它,选了 stop 你就可以把 job 直接停掉,在 unix 环境下你可以把它只接 kill 掉,用一些其它方法,但是在 windows 的主从运算 client-server 上你必需透过这种方式来把它停住, 目前这个计算还在进行,我们勾选了好多东西,那么电子结构算完了它紧接着进行能带计算以及光学计算,这个我们都要叫他做,那另外还有一点要讲的是说如果你丢到远程的机器上,或是即使你是丢到本地端的机器上算的话,丢过 job 以后你不必一定要把 materialsstudio 的接口开着,比方说你要暂时结束今天的工作,那程序还要继续在远程跑还是在本机跑,你都可以安全的退出 materialsstudio 的接口, 下一次再开起来的时候它自己还会再回去连接,你不必因为担心 job 会停掉而一直开着 materialsstudio 的界面,你不关的话你就会消耗一个 license ,这对于多人使用的话是不方便的,是浪费资源的。这个 job 因为刚刚用了 medium ,所以还是有点久,这个 job 用了 330 这个精确度对于一些初步的具有学术探讨价值的一些物理量是已经不错了,刚刚使用如果是用 corse 的话会快一点,所以我们现在要等一下,在等待时我们可以来看一下,我们现在使用的这台是 phys-holon ,我们应该可以看到 phys-holon 目前的状态,打入 holon:18888 ,需要全名的时候就是这台机器的全名,进去之后你可以看到目前你正在跑的, 你可以看到谁,我是 holon,丢了 G15EA,那它现在是在 running,那选进去以后我们可以看得见目前正在进行计算的 castep 档案,如果我点进去的话它会因为 application 的定义没有设好而要求我要选择下载或开启,我刚刚选择了开启,刚刚那个单纯做电子结构计算的已经在七十几秒时结束,那另外属于能带结构计算的部份我也把它开启,能带结构的计算也是另外一个七十几秒结束,那光学计算可能现在正在进行,你们可以从上面看到名称有 optics 的这些就是光学计算。 既然我们已经做完能带结构计算,我们应该有一些东西已经可以开始分析了,所以说我们来做一下分析,首先我们把所有的画面统统清干净,现在 job explore 上面的 status 已经从 running 改成 successful 了,所以说所有的 job 都已经完成,我们可以去看一下刚刚利用流灠器所看到的 gateway server 的画面,里面有 _optics.castep 我下载下来以后一路拉到最后面,可以看到完有完成,花了一百多秒, 我现在把它关掉,现在要进行分析了,我的建议是在进行分析之前这个桌面先清干净会比较清础。我们先在 castep 这个波浪形的 icon 里面选择 analysis ,它会跳出一张到底要 analysis 什么东西的选项,目前你会看到 result files 是空的,因为我们没有选择是到底要分析什么东西。 现在我们希望看到电子云密度的话就先选电子云密度,并且来打开刚刚所进行的计算,刚刚所进行的计算你通常需要的是 .castep 这个文件或着是三度空间的结构,就是 .xsd ,extended structure data 这一个。如果双击把它开起来,它知道 result file 是 NaCl.castep 这一个。如果说我再把它关起来,它现在又没有 file available。同样的如果我把 NaCl.castep 开起来,它也晓得 result files 是这个档,但是不同的是,一样是 electron density ,可是它会不让你 import ,原因是打开虽然是符合它 output 对象的 .castep 檔,但是 .castep 毕竟是一个文字输出文件,你不可能把电荷密度就直接迭套在这个文字输出文件上让你观看,你必需要有一个三度空间对象的窗口才能够让你加载电子结构。所以说在这样的状况之下的话这个窗体可以提醒你要开启一个合法的三度空间的档。 现在我们再度打开这个.xsd档,这样的话我们按 import 就能够把这个电子云密度 import 进来,那这个 import 进来这个电子云密度我就顺便利用这个场合来简单示范几个你可以利用的不同展现方式。你所看到的这个东西是电荷密度的等高面,为什么说是等高面呢?刚刚在 analysis 选单里面选 electron density 的时候,它有一个 view iso surface on import ,默认值是勾起来的,也就是说你在一 import 进来的时候它就会用 iso surface 来呈现,这个事实上比较方便。 如果说我们不要这个 iso surface 的话我们可以在 3d 工作底稿上右键单击,打开 display style ,在 display style 里面控制 iso surface 的这个部份的 visible 先把它勾除,变成 not visible,就会暂时看不见。 另外我们可以去 field ,这是一个 materialsstudio 有别于 cerius2 的新东西,field 是三度空间全部呈现,我如果按 field 它预设会用点状的方式来告欣我目前电荷分布的情形,你可以选择比较高质量的点,medium,或着是high,你也可以选择用 volume 的方式,volume 非常漂亮,你可以看到这个雾状的,当我旋转的时候它会用比较粗糙的方式来做旋转,这是因为接口的默认是要让速度快或或度慢的计算机通通都可以处理转动而不会产生推迟的现象。如果我们在3d底稿上右键单击选择 display option,它可以有一些跟3d呈现控制有关的东西的性能调整的部份就会让我们看见,如果我们把 fast rander on move 这个勾选取消的话,这就表示我要选择我在移动3d对象的时候我要选择不要快速的光影处理,那这样的话它就会用完整质量的光影处理,你也会发现我在移动的时候这个速度就会慢一点,但是你也会发现如果在适配卡速度很快的计算机上,它还是可以来进行。 这就是field 的功能。另外我们现在主要的还有别的东西 要分析,我们要去看它的能带结构,所以在现在这个状况之下我们改勾选 band structure,band structure 勾选完了以后你会看到系统知道你刚刚有做过 bandstruct.castep,所以它确认是没问题的,它同时也可以让你勾选要不要同时 show 态密度,并且你也可以勾选同时 show 出 partial density of state,然后再一起把它 view 起来, 出来了以后你所看到的就是整张相当完整,通常你还需要再把它缩小让它比较瘦窄一点,比较符合一般固态物理里面的呈现方式,它原来预设的这个横摆的是比较不好,要像我调过的这样子,变成有点直摆的这样子比较符合,那你看到左边的是能带结构图,左边的是态密度,并且包含投影的态密度,你可以看出不同的 spd 的投影分布状况,至于说底下这个不同的 布里渊区的特殊点,布里渊区是怎么拉出来的,如果你想要得到这样的讯息的话你还要回到 cerius2 去看,不过这是特殊的用途,有需要的人再去看, 我们现在终于要来看 optical property 了,选择 optical property ,analysis 的选项一样会正确的指到 optical property ,使用者有时候要自己注意有没有指到要的地方,那我们在这边选择是否 polylize and poliry 是否 polycrystal 这是光学性质自己再知道一下。smearing 等等的这些选单我们今天先不介绍,这是细部要进行光学调控的时候所做的,这是电场的方向。scissors 这是能隙修正 shift 的值。我们要画什么呢?这里 reflectivity 是默认,其它 absorption 、介电函数等等统统可以画,那我们选择 reflectivity,单位可以是 ev cm-1 或是 nm,在 more 选单里面还可以做其它的调控,我们今天先不去设定。 总之,选好了我们要的条件,按 calculate,那它会做一点简短快速的计算,那按完了calculate之后它跳出的这个选单叫作 optical properties.xgd,extended graph data,里面有 summary 的部份也有 epsilon 的部份,都是 graph data 要用的,如果你另外还有需要撷取这些数据的话可以拿去用, 你会看到原来的 analysis 选单里面就多出一个 view ,在 calculate 跟 help 中间多了一个 view,也就是说你刚刚 calculate 以后你现在已经可以 view了,view 按下去之后它就会给你你刚刚选择的 reflectivity 的光谱, 另外再顺便介绍一点,这些很漂亮的图在 materialsstudio 的工作底稿中一一呈现,我们是有办法将它转存成将来做网页所需要用到的较方便的格式,比方说我们要存这张很漂亮的 bandstructure 图,我们把它 highlight 之后来到 file 的地方按 export,选好了你的目录之后,给文件名,写出去的时候可以是 materialsstudio 的 chart file,或着是 bitmap。 在 materialsstudio 所附加的功能里头,有一个 view 选单,里面有一个 toolbar,这个 toolbar 功能你以看到并不是所有的 toolbar 都开起来的,其中有一项是 html formating,你如果把它勾起来的话你会在整个选单里面看到跟 html 相关的选单出来, 你如果选要做一个新的 document,按 document icon 就可以选 html document ,选确定,就会跳出一张工作稿,它是一个简单的 html 编辑器,比起 netscape 的 composor 简单,但是你会有像是改变字形等等的小型 html 工作稿,你可以选择插入图片,那图片来源就可以流灠一下,可以叫进刚刚存的 bitmap 图。 bitmap 图比较大,materialsstudio 并没有提供把 bitmap 转存成 jpeg 或是 gif 这种比较小的图。把 bitmap 选进来确定之后可以把它变成 html 格式的一部份,并且可以开始打你自己要打的字,像是 this is my test ,比方说粗体,置中这方面都没有问题,这是一个很方便的工作稿,对于处理第一手数据通通都可以在这个环境里面完成,save 完了以后可以把它关掉。 我们现在回到 property explorer,这个是如windows 环境的软件环境,如果你要改名字直接在上面用 window 更名的方法直接改,所以说你一开始的默认值不管是什么东西你都可以直接改它的名字,我现在把它改成 NaCl_notes,改完了以后它的名称跟表框外面的名字就改了,所以说这是非常方便、整合得很好的机制。如果说我们对于 job 这个地方觉得讯息已经不再需要了,我们可以右键单击选 remove 或 archive 存档。这个并不影响到我们已经跑完的结果,我们已经跑完的东西如果想要整个不要或着是部份不要都可以右键单击来删除或更名。最后,如果我们要退出,就可以按 file --> exit ,它会问你要不要把画面上打开的一些东西一起存下来,如果觉得不需要就选 no ,需要的就选 yes。这样就完成了光谱计算。 unit_client-serve 打开 开始 --> 所有程序 --> 附属应用程序 --> 命令提示字符 telnet 到要安装的 Server 端,并登入 (要使用 msi 这个使用者登入,所以要先建好这个使用者) 将 Materials Studio 光盘放入 Server 端的光驱中,在登入之后将使用者转为 root 输入以下指令 mount /mnt/cdrom 要看是否已经挂载成功,就输入 df -k 此时应该可以看到 cdrom 以经挂载成功 输入 cd /mnt/cdrom/UNIX 再输入 ls 应该可以看到以下的目录结构 再输入 ./Install 执行后,会出现下图的选项,这是选我们要灌的服务器。在这我们选择 CASTEP Server 和 Structures Server,所以输入 2,13 接下来是 License 的路径位置,若不更改则选择 y (yes) 这里要输入的是 License 的种类,我们选择 5 输入 demo license (请向相关单位索取) 这里是问我们是否要使用 license manager,这里我们输入 n (no) 接下来是最重要的,这是问我们是否要开启 Gateway Server,请打入 y (yes) 这样 Gateway Server 就已经安装完毕了,注意这里开的 Gateway Server 是在 18890 port,若是第一次安装,则会在 18888 port。 接下来就是利用网页浏览器去看看 Gateway Server 是否已经成功启动。 打入 Server 端的 IP 地址,并在其后加入 :18890,例如 http://192.168.0.1:18890 接下来就是在 client 端,设定 Gateway 打开 Materials Studio 在上方的 Tools --> Server Console 打开 Server Management,并在 Server Gateways 上右键单击,选新增 --> Server Gateway 输入 Server 端的 IP 地址,并选择所开启的 port,预设是18888 按下 Run Diagnostics,它会进行测试,成功后会出现 SUCCESS 现在当我们要进行 client 端的 CASTEP 计算时,就可以利用我们所设的 Server 端,来进行计算了    

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