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【计算教程020期】使用CASTEP计算铁磁体的声子谱
声子是固态物理学中的一个重要概念，它可提供广泛的重要特性，例如比热，热膨胀，导热，电子-声子相互作用，电阻率和超导性. 密度泛函理论（DFT）方法能够预测此类属性，并且CASTEP提供了必要的功能。
晶格动力学计算有两种主要方法：密度泛函微扰理论density functional perturbation theory (DFPT)和有限位移法（Finite difference method）。
通常，第一种方法更快，更准确，但是其实现存在问题，并且受到一系列限制。 当前，CASTEP中的DFPT只能在没有自旋极化的情况下使用，并且只能用于模守恒赝势norm-conserving pseudopotentials。 因此，对于多种材料，声子计算只能通过使用有限位移算法来进行。
01
Getting started
建立一个project，叫做Fe_phonon
导入Structures/metals/pure-metals中的Fe.msi
为了减少计算量，可以先把结构转为primitive cell，具体做法是Build | Symmetry | Primitive Cell
02
优化结构
打开CASTEP，Setup设置如下
Task: Geometry OptimizationQuality: FineFunctional: LDA
勾选Spin polarized取消勾选Use formal spin as initial
Initial spin：2点击Geometry Optimization右边的more…Cell optimization设为Full
打开Electronic选项卡 Pseudopotentials选择OTFG ultrasoft
点击Run运行
算完会出现一个Fe CASTEP GeomOpt文件夹
03
计算声子散射（Phonon Dispersion）
和声子态密度（Phonon Density of State）
打开Fe CASTEP GeomOpt文件夹中Fe.xsd任务设置为Energy,其他参数设置如下
Properties选项卡设置如下
点击上图中的More.. 然后设置如下
设置完成后开始计算，这个计算会需要很久时间。如此简单的一个体系声子谱，i5-9600k 6核并行需要1000s左右。
算完后在Fe CASTEP GeomOpt文件夹中出现了一个新的文件夹叫做Fe CASTEP Energy。任务如果是正常结束的，会出现
Fe_PhonDisp.castep和 Fe_PhonDOS.castep
04
声子谱的显示与分析
打开Fe CASTEP Energy文件夹中Fe.xsd
打开Modules | CASTEP | Analysis
选择Phonon dispersion并确保Results file 是 Fe_PhonDisp.castep
将单位改为cm-1
点击View，绘出图如下
这个图是可以通过单晶的中子散射实验获得的。文献中图如下
上图数值来自：
https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.162.528
需要自行绘图
然后选择Phonon density of states，设置如下
点击more..设置如下 然后点击OK
然后点击View出现如下图
CASTEP中的声子计算可用于以准谐波近似quasi-harmonic approximation评估晶体的焓，熵，自由能和晶格热容量的温度依赖性。可以将这些结果与实验数据进行比较，并用于预测不同结构修改或相变的相稳定性。下期会推Predicting the thermodynamic properties of germanium这一篇，会涉及一些这部分内容。
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