MS入门手册（36）：Materials Studio建模周期性相关问题

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MS入门手册（35）：Materials Studio建模 — 纳米结构模型搭建：从纳米棒到纳米线

大家有什么想法，可以进群讨论：

上次的课程中，我们利用另一种从纳米棒出发的方法，从非周期性结构通过建立晶体的方法，形成了周期性结构，其中仍然要特别注意如何建立一个完整的周期性结构。也就是说，我们已经对于纳米线结构建立的问题讨论了许久，但是每次涉及到最重要最容易出错的问题都是相似的——周期性结构问题。

如何建立一个具有完整周期性结构的晶体，而不是最终发现Si连着Si，或者Si和下一层C贴在一起等不满足周期性的问题。

经常能发现这样一类问题，它明明就是显示方式/周期性理解的问题，比如计算结束后，真空层跑到中间/下面，或者有原子的位置和之前看起来不太一样了/少了些原子之类的，这个时候需要我们有周期性的思考方式，知道这个晶胞的周围是有上下左右前后的其他晶胞的，各个方向无限延伸，并不是孤立的。把这些格子连在一起看，就会发现并没有和之前的结构发生变化，只是周期性显示方式或位置的问题。

图1. 这个格子周围有一圈格子

用这样的视角看您的结构，是不是发现它顺眼了很多呢？如果还是不行，也可以从Display Style的Lattice选项卡中，增加一下晶胞显示数量，在各个方向多显示几个晶胞，这样就可以辅助您看到相应的周期性了，例如上节课所建立的纳米线结构，如果在z方向只显示一个晶胞的确不容易发现其他问题，如果多显示一些就会对其周期性和原子排列方式细节有更多了解。如果是表界面结构等，也可以通过整体移动原子的方式，就可以把真空层重新移动到上方了，大家课后可以一试。

对于晶体计算来说，周期性思想是一个非常重要的思想，希望大家对此更加习惯。上次我们对于最终建立的结构中Si-C键键长没有进行验证，可以测量自己连接的Si-C键，和结构中自带的Si-C键是一样长的，所以我们选择的周期性是正确的。

图2.  周期结构正确性检验

实际上，一方面非周期性结构可以通过Build Crystal转化成周期性结构，从而可以使用CASTEP模块（只能计算三维周期性结构，如果切割表面之后，必须加真空层才能用CASTEP，如果忘记加真空层，Run按钮是灰色的）进行计算，二维周期性结构可以通过添加真空层方法转化为三维周期性结构；

另一方面，晶体也可以通过Symmetry菜单中的Unbuild Crystal和Nonperiodic Superstructure方法解除周期性，变成团簇结构，从而利用Dmol3等模块（Dmol3可以计算周期性，也可以计算非周期性结构，但是一般计算非周期性用的比较多）进行计算。

图3. 将晶体（周期性结构）转换成非周期性结构

但是这两个功能的效果还是有所不同，如果使用Unbuild Crystal，会考虑到之前的对称元素，将由对称元素得到的部分全部去掉，只保留一个最小的结构（类似于原胞）。

而使用Nonperiodic Superstructure功能，则不考虑对称元素，只把晶格去掉，保留一个晶胞内的所有原子（类似于惯用胞/晶胞）。

使用不同工具对SiC晶体取消周期性后得到的结构：Unbuild Crystal（左侧）和Nonperiodic Superstructure（右侧）

有时候建立掺杂模型，需要不同的掺杂浓度，此时比较简单的方法是通过超晶胞进行实现。为了得到最小的模型，我们在超晶胞时可以使用不同的参数，而只掺杂“一个”原子。

当然也可以先掺杂一个再加入另一个，但是如果在Find Symmetry后，发现变成了“一个”原子，那就不要惊讶，您的晶胞也一定缩小成为一半，而刚才放的第二个原子，其实就在相邻的晶胞内。

例如下图，对于金刚石晶体先取消对称性make P1后，建立成2×1×1的超胞，将两个原子（如果看成是左右两个晶胞，这里刚好是同样的位置）用P原子取代。

图4. 掺杂P的金刚石超晶胞

接下来，寻找对称性（菜单栏Build-Symmetry-Find Symmetry），并将对称性加载于这个结构上（对话框中先单击Find Symmetry按钮，再单击Impose Symmetry按钮）。

图5. 施加对称性后的结构

在此，我们可以看到两个变化，其中一个是对称性（周期性）问题，这里两个晶胞不再连在一起，中间有晶格线分开，表示这其实是超胞显示（不是真正的超晶胞）。

在显示方式对话框的Lattice选项卡中，可以发现A方向显示范围为0~2，可以试着修改一下显示范围为0~1，就会发现实际上只有一个晶胞。

图7. 显示方式的修改

另一个问题就是原子位置了，但是其实数一下数量，和上图中是一样的，只不过P原子被显示在了顶角位置。有时候建立生长模型，会一列一列原子加到衬底上，这个时候寻找对称性，可能发现晶体的尺寸变小了，这时候我们可以先建立不同列原子的模型，应用对称性后可以保持给出的超胞显示，这样比较容易对不同的覆盖率情况进行比较直观的对比。

好啦，今天关于周期性结构就说到这里，希望大家在今后建立模型的时候，对于这一类问题能够有更加深入的认识，我们下次再见。

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