MS入门手册（15）：Materials Studio建模：超晶胞、晶格常数预测

本文为杨站长技术团队制作的《Materials Studio入门手册》第15篇，本教程旨在从零开始带大家入门MS软件，文末可下载更多学习资料。

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很高兴见到大家准时来到MS课堂，开始我们今天的学习内容，上节课我们说到取代固溶体的问题，并且用一个P原子取代了金刚石中的一个C原子，形成了金刚石半导体的n型掺杂结构。

但是课后小伙伴就有这样的问题：一个金刚石晶胞有8个原子，其中1个被取代了，那掺杂的浓度就是12.5%。但是实际上杂质浓度很少有这么高的，百分之几甚至百分之零点几都已经是比较高的比例了，可不可以在建模过程中减小掺杂浓度呢？

这当然是可行的，但是首先要说到一个前提，如果使用比较低的掺杂浓度，会需要比较大的晶胞，这样在后续的计算中会大大增加计算量，占用大量的计算资源。因此一般情况下，我们都是尽可能用比较小的晶胞来解释掺杂浓度较小的问题，不过，12.5%的浓度的确是比较高，今天我们就首先来解决一下这个问题。

实际上我们昨天提到了这个问题的解决方案，就是建立超晶胞（supercell），实际上就是将原本的晶胞扩大若干倍。昨天我们在显示方式中，使得可以显示若干个晶胞，但这只是显示方式的修改，并没有真正将晶胞本身扩展。但是超晶胞（supercell）是对于晶胞本身的扩展，这是两者的本质区别。

超晶胞功能需要先在菜单栏选择Build->Symmetry->Supercell选项，接下来就可以在弹出的对话框中调整三个方向扩展的倍数。

例如，我们想要建立2×2×2的超晶胞，在每个方向上扩展2倍，晶胞就会变成原本晶胞的8倍。

Supercell选项

我们将A、B、C调整为2，按下Create Supercell按钮，就可以创建超晶胞。可以发现，和昨天仅改变显示方式相比，创建了的超晶胞在内部没有晶格，其实说明了这是一个完整的晶胞。

金刚石2×2×2超晶胞

接下来，和之前一样取消结构的对称性（Make P1），选中一个C原子，在菜单栏中Modify->Modify Element->Phosphorus，将这个C原子变成P原子，就得到了掺杂浓度为1.56%的n型掺杂金刚石，这就与实际的掺杂实验更加接近了。（吐槽一句，n型掺杂是掺P，p型掺杂是掺N，真的是搞什么嘛。）

掺杂浓度为1.56%的n型（P）掺杂金刚石

接下来就稍微履行一下上次的诺言，我们进行一个简单的算例，对晶体的晶格常数进行预测。说“简单”是因为我们先基本上使用默认参数，先不多说明参数的意义。当然关于参数的意义，我们在之后的教程中会逐渐讲到，另外也可以参考之前的关于CASTEP中参数含义的教程。

首先导入一个金刚石晶体模型，并将其变为原胞（从而减少计算量）。接下来在菜单栏中选择Modules->CASTEP->Calculation，打开CASTEP计算面板。

CASTEP计算

Setup选项卡中是一些基本设置，我们将计算任务（Task）改成几何优化（Geometry Optimization），精度（Quality）改为Fine，精度需要在Fine以上才可以发文章，但是实际在文章中给出的参数并不是这样，实际参数需要测试和修改，我们之后会说到。

对于Metal的勾选，我们这里可以选择，也可以去掉（对于这个问题，在问题选集里有比较详细的说明，一般对于半导体可以不勾选，对于导体勾选）。

在选择几何优化任务后，后面的More按钮会变成活动的，这个时候单击More按钮，勾选Optimize Cell选项，对晶胞进行优化。

提醒大家，勾上Optimize Cell选项不是针对所有结构都能成功收敛，有时晶胞会无限变大导致散架，有时能量曲线会往复震荡。遇到这种问题，请用杨站长的eos.pl脚本，这里有配套讲解：

https://www.bilibili.com/video/BV1He4y1q7qT/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=2dcd596eaec39bf93a707fdfe0998f96

如果不勾选这个选项，对于该计算是无法进行下去的，因为所有原子的位置已经被对称性所固定（例如一个反映面和与它垂直的旋转轴），能够改变的仅有晶胞参数。

Optimize Cell优化晶胞参数

另外，在Properties选项卡中，将所有性质前的对号都去掉（仅进行结构优化，不计算性质）。在Job Control选项卡中，可以增加计算核数，从而提高计算速度。

不过我们这个体系仅有两个原子，计算将很快完成。计算时，在Jobs区域会出现关于该计算任务的相关信息。

Jobs区域出现对于任务的描述

稍事休息，计算马上完成。下节课我们将会对计算结果进行简单的分析，大家再见啦。

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