Materials Studio计算教程：有限位移法计算磁性体系声子谱与声子态密度
目的：介绍使用CASTEP模块的有限位移法计算声子谱的方法。
所用模块：Materials Visualizer、CASTEP
前提条件：MS计算弹性常数教程：晶体结构优化、弹性常数计算、结果文件分析！、MS计算教程：表面吸附建模、弛豫、结构优化、能量分析、态密度（DOS）分析、MS CASTEP计算教程：第一性原理预测晶胞参数
背景
声子是固体物理中的一个重要概念，可以使用该概念对大量性质进行计算，例如比热、热膨胀、热传导、电子-声子相互作用、电阻系数和超导性等。
密度泛函理论(DFT)可以对这些性质进行预测，CASTEP模块中即包含了这些功能。在晶格动力学计算中有两种主要的方法：密度泛函微扰理论(DFPT)和有限位移方法。第一种方法通常比较快速并且更加精确，但较难实现，并且存在一系列的限制。
目前，在CASTEP模块中，DFPT方法仅能用于非自旋极化情况，只能使用模守恒赝势。因此，对于大部分各类材料，只能通过有限位移算法进行声子计算。
介绍
在本教程中，将学习如何使用CASTEP模块运行有限位移计算，从而获得磁性金属的声子散射和态密度。
本教程包括如下部分：
开始
优化铁晶胞的结构
计算声子散射谱和态密度（DOS）
显示声子散射和态密度
注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将项目中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。
1、开始
首先启动Materials Studio并创建一个新项目。
打开New Project对话框，输入Fe_phonon作为项目名，单击OK按钮。
新项目将以Fe_phonon为项目名显示于Project Explorer中。
首先导入Fe结构，该结构包含在Materials Studio的结构库中。
在菜单栏中选择File | Import...，打开Import Document对话框。导航至Structures/metals/pure-metals文件夹，选择Fe.xsd文件。单击Open按钮。
2、优化铁晶胞的结构
现在，使用CASTEP优化Fe晶胞的几何构型。
在Modules工具条中单击CASTEP按钮
打开CASTEP Calculation对话框。
在Setup选项卡中，把计算任务Task设置为几何优化Geometry Optimization，将精度Quality设置为Fine，将泛函Functional设置为LDA。将自旋极化Spin polarization设置为共线Collinear，取消选择使用默认自旋值作为初始值Use formal spin as initial复选框。设置初始自旋Initial spin值为2。
CASTEP Calculation对话框Setup选项卡
几何优化的默认值不包括对晶胞参数的优化。
单击More...按钮，打开CASTEP Geometry Optimization对话框。从晶胞优化Optimize cell的下拉列表中选择Full，关闭对话框。
在Electronic选项卡，从赝势Pseudopotentials下拉列表中选择OTFG超软赝势OTFG ultrasoft。
在Job Control选项卡，为计算任务设置网关位置Gateway location。
单击More...按钮，打开CASTEP Job Control Options对话框，取消选择实时升级Live updates部分的所有选项，关闭对话框。
单击Run按钮运行计算任务。
注意：如果在具有大量内存（例如总共超过10 GB）的集群上运行此计算，则应在Runtime optimization中选择Speed。
计算完成后，结果将呈现在名为Fe CASTEP GeomOpt的新文件夹中。
3、计算声子散射谱和态密度（DOS）
为了计算声子色散和声子态密度，在从CASTEP Calculation对话框的Properties选项卡选定适当的性质后，必须执行一个单点能量计算。
确定Fe CASTEP GeomOpt文件夹中的Fe.xsd文件为当前文档。
在CASTEP Calculation对话框的Setup标签中，将Task设置为Energy。
在Properties选项卡中勾选声子Phonons复选框，通过选择Both单选按钮，同时计算态密度和散射谱。取消选中计算LO-TO劈裂Calculate LO-TO splitting复选框，从Method下拉列表中选择有限位移法Finite displacement。
有限位移方法可用于金属和自旋极化体系（并利用高效的超软赝势运行计算）。这是计算铁磁性铁的声子性质的理想方法。
单击More...按钮，打开CASTEP Phonon Properties Setup对话框。确保Method为有限位移法Finite displacement。从Use下拉列表中选择一个大型超晶胞One large supercell。设置利用截断半径定义超晶胞Supercell defined by cutoff radius值为3.5 Å。将散射Dispersion和态密度Density of states的计算精度Quality设置为Fine，关闭对话框。
注意：截断半径的选择是有限位移法计算中至关重要的参数。当使用较大的截断半径值时精度较高，这是因为考虑了更长程的相互作用。然而，随着该值的增加，计算时间将迅速增加。出于实际原因，在本教程中，该参数选择了较小的值。在进行计算研究中，应对声子频率的收敛性于截断半径之间函数进行测试。
选择Job Control选项卡，并为计算选择网关Gateway。
单击More...按钮，打开CASTEP Job Control Options对话框，选中所有Live updates选项，关闭对话框。
单击Run按钮，关闭CASTEP Calculation对话框。
计算任务提交并开始运行。在Fe CASTEP GeomOpt文件夹中创建了一个名为Fe CASTEP Energy的新文件夹。当能量计算完成后，此文件夹中产生新结果文件Fe_PhononDisp.castep和Fe_PhononDOS.castep。
如果不想自行运算计算任务，则可以按如下方式访问已经计算过的这些文件。
使用Windows文件资源管理器从Materials Studio的安装目录导航至share\Examples\Projects\CASTEP目录。双击文件Fe_phonons.stp。
提示：对于非管理员的Windows用户，应将Fe_phonons.stp项目和相关的Fe_phonons_Files文件夹复制到具有写入权限的位置。然后打开Fe_phonons.stp项目的新副本。
4、显示声子散射和态密度
声子散射曲线显示出声子能量沿着布里渊区高对称性方向对q向量的依赖性。此信息可以从单晶的中子散射实验中获得。只有为数不多的材料可以获得该信息，所以理论散射曲线有助于确定建模方法的有效性，以证明从头算方法的预测能力。在一定情形下，可测量态密度而不是声子散射。此外，在隧穿实验中可以直接测量与声子DOS直接相关的电子-声子相互作用函数。因此，能够从第一性原理计算声子DOS是很重要的。
Materials Studio可以从任何.phonon CASTEP输出文件中产生声子散射图和态密度图。该文件由每个CASTEP计算任务生成，其中包括声子散射或声子DOS的计算。.phonon文件是隐藏文件，因此无法在Project Explorer中查看。
提示：在计算声子DOS时，仅使用Monkhorst-Pack网格上声子计算的结果。
现在，使用之前的计算结果创建声子散射图。
确保Fe CASTEP GeomOp/Fe CASTEP Energy/Fe.xsd为当前文件。
从菜单栏中选择Modules | CASTEP | Analysis，打开CASTEP Analysis对话框。从性质列表中选择Phonon dispersion。确定结果文件Results file选择框中显示的是Fe_PhononDisp.castep。
从单位Units下拉列表中选择cm-1，并从图像类型Graph style下拉列表中选择Line。
单击View按钮。
在结果文件夹中创建了一个新的图形文档Fe Phonon Dispersion.xcd。它应与下图相似：
声子散射的实验图(Minkiewicz et al., 1967)如下所示：
总体来说，计算的精度是可以接受的。通过使用更大的截断半径值进行计算，可以获得与实验结果更好的一致性。
现在创建声子态密度图。
使Fe.xsd为当前文档，从CASTEP Analysis对话框的性质列表中选择声子态密度Phonon density of states。确定Results file 选择框中显示的文件为Fe_PhononDOS.castep。
将DOS display设置为Full。单击More...按钮，打开CASTEP Phonon DOS Analysis Options对话框。从插值方法Integration method下拉列表中选择插值Interpolation，将精度等级Accuracy level设置为Fine。单击OK按钮。
在CASTEP Analysis对话框中单击View 按钮。
创建了一个新的图表文件Fe Phonon DOS.xcd，它应当与下图相似：
在CASTEP中的声子计算可以用来评价准谐近似下晶体的焓、熵、自由能、晶格的热容对于温度的依赖性。可以用这些结果和实验数据（如热容的测量值）相比较，或用于预测结构经过不同修正后的相稳定性或相变。
详情可见预测锗的热力学性质（Predicting the thermodynamic properties of germanium）教程。
本教程到此结束。
参考文献
Minkiewicz, V. J.; Shirane, G.; Nathans, R. "Phonon Dispersion Relation for Iron ", Phys. Rev., 162, 528-531 (1967).