如何用CASTEP计算core level spectra，我不允许你不知道

Core level spectroscopy能够表征出很多原子的特征信息，经常用来鉴定材料成分和结构特征。但是这其中的跃迁能量收到太多因素的影响（比如原子排列、键结构变化、电荷干扰等都会影响原子周围的化学环境）。这些因素导致科学家们很难直接从谱图上面去解释材料在纳米尺度的结构细节。所以科学家们倾向于，通过构建不同的结构然后计算出谱图，然后再和实验谱图对应的方式去研究问题。这种方式在进行未知物结构分析方面有着很普遍的应用。很多的NMR、FTIR谱图的解释归属也通过类似的手段进行。

接下来我们通过TCM提供的一个教程带大家简单了解一下core level spectra的计算。

计算小知识

Core level spectroscopy包含XPS XAS EELS XES……

首先打开MS并创建一个名为BN的新项目。

然后从Structures/semiconductors/ 中导入BN.msi

导入的晶胞里面还有的原子较多，而且各个同类原子是等效的（电荷密度、键长、能量）我们尝试将其转换为Primitive Cell（素胞）可以减少大量计算时间，具体方法是Build | Symmetry | Primitive Cell

调整完的结构为

接下来设置CASTEP计算任务

打开Modules | CASTEP | Calculation

分别按照以下参数设置

计算级别选择中等及以上

必须选用OTFG ultrasoft ，否则无法计算

此处暂时不要勾选Use core hole

设置芯能级谱的能量范围为40 eV，也就是允许获得比费米能级高40 eV的能量。

然后提交计算，该计算耗时较长，建议使用专用计算工作站服务器

计算完成后，获取到如下文件：

BN.xsd -晶体结构

BN.castep -CASTEP能量计算的输出文件

BN_EELS.castep -CASTEP芯能级谱计算的输出文件

BN.param和BN_EELS.param-计算输入信息

设置core holes

很多材料被发现需要考虑core hole才能获得较好的预测谱图。CASTEP可以指定具体哪一个原子是被激发而留下core hole。从这个描述，大家应该知道，该效应的考虑必须要建立足够大的超胞才能实现。

计算是精度和速度进行平衡的艺术。虽然更大的超胞可以计算更准确，但是成本也会很感人。当前我们使用包含32原子的超胞进行计算。

首先进行扩胞操作，此处使用的是Redefine Lattice操作而非常见的supercell

Build | Symmetry | Redefine Lattice 然后使用如下矢量进行

构建结束后，File| Save As... 将这个改变后的BN.xsd另存为BN_N_hole.xsd和BN_B_hole.xsd这两个文件。

接下来是对某个N原子施加core hole

前面说的要扩胞，主要是给某个施加core hole操作的原子一种“孤立”的感觉。在施加前每个原子还都是等效的。

打开BN_N_hole.xsd点击随便某个N原子然后Modify | Electronic Configuration 

按照下图设置

然后Build | Symmetry | Find Symmetry... 施加正确对称性

首先在option选项卡把CoreShellWithHole勾上

然后点击Find Symmetry ，然后点击 Impose Symmetry 

BN_B_hole.xsd也使用同样的方法进行修改。

然后保存project

设置并运行考虑core hole的计算

与之前的计算不同地方只有一点，把Use core hole 勾上

这步的计算非常慢，耐心多等等。如果是计算自己实际的体系，请一定要用专业超算或者工作站。

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查看谱图

计算完成后点击打开BN_N_hole CASTEP Energy/ BN_N_hole.xsd

Modules | CASTEP | Analysis

按照上图设置然后点击VIEW就可以得到

选择普通的N原子出现的是1S（K1），如果选择的是修改后的N原子，出现的是1S*（K1）

BN_B_hole CASTEP Energy/BN_B_hole.xsd也进行类似操作

比较谱图

实验谱图来自Jaouen1995年的工作

实验谱（B）

实验谱（N）

计算谱图

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