目的：介绍CASTEP模块中芯能级谱的功能。

所用模块：Materials Visualizer、CASTEP

前提条件：使用crystal builder可视化工具

背景

密度泛函理论是计算芯能级谱的稳健可靠方法。该技术已应用于许多体系，并取得了良好的效果(Gao et al., 2008)。DFT方法有一定的局限性，利用Bethe-Salpeter方程或时间相关DFT（或两者的结合）的最新发展，是计算芯级光谱的更严格方法。在这些方法中，可以考虑许多体效应，如电子-空穴寿命引起的光谱展宽。虽然与实验结果取得了很好的一致性，但与标准基态DFT计算相比，这必然带来更大的计算量。

对材料中的芯孔效应进行系统的观察和对芯孔强度的定量估计有助于模拟和解释芯能级谱。应用经验规则，芯能级谱不太可能受到芯孔效应的严重影响，因此可以直接从实验光谱推断出材料的基态电子结构信息。在这种情况下，传统的基态计算应可预测实验结果的主要特征，并可解释光谱。如果情况并非如此，则在理论模拟中必须考虑芯孔的影响。对实验结果的分析应考虑到近边缘精细结构包括基态电子结构以外的芯激发过程的影响。

有关芯能级谱及其实施细节的更一般性讨论，请参见S.-P. Gao et al., 2008和其他参考文献。

介绍

CASTEP可以计算固体的光谱性质，这些性质是由于从离子的芯能级到导带（X射线吸收）和从价带到芯能级（X射线发射）的电子跃迁引起的。该计算可用于描述与此类过程相关的各种实验结果。芯孔可以通过X射线或电子入射辐射产生。

芯能级是局域化的，因此芯能级谱可给出特定原子位置周围局部电子结构的详细元素特征描述。该描述中没有体系内其他原子的贡献，因此可以研究特定原子的电子态。

在各向异性体系中，角度相关性实验能够分离所涉及轨道具有不同对称性的态。也可研究完全由化学键产生的对称态。更多信息，请参阅芯能级谱理论。

本教程说明了如何使用Materials Studio中的CASTEP模块，利用量子力学方法确定材料的芯能级谱。将学习如何构建晶体结构和设置CASTEP能量计算参数，然后进行芯孔能级谱计算，并分析结果。

本教程包括如下部分：

• 开始

• 设置CASTEP计算参数并运行计算

• 设置芯孔

• 设置带芯孔的CASTEP计算参数并运行计算

• 结果分析

• 将结果与实验数据进行比较

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BN作为项目名，单击OK按钮。

新项目将以BN为项目名显示于Project Explorer中。现在将为后续计算导入BN晶体结构。

在菜单栏中选择File | Import...，打开Import Document对话框。导航至Structures/semiconductors/文件夹，选择BN.xsd文件。单击Open按钮。

3D Viewer内的晶体结构是惯用胞（也称为晶胞），包含8个原子，显示了晶格的立方对称性（即包含所有对称要素）。CASTEP使用晶格的完全对称性（如果存在）。因此，可以使用每单位晶胞含有2个原子的初级胞（也称为原胞）进行计算。无论晶胞如何定义，电荷密度、键长和每个原子的总能量都是相同的，因此可通过在晶胞中使用较少的原子缩短计算时间。

注意：在进行铁磁体系的自旋极化计算时需要注意，电荷密度自旋波的周期需要为初级胞的整数倍。

在菜单栏中选择Build | Symmetry | Primitive Cell。

3D Viewer中将显示初级胞结构。

打开CASTEP Calculation对话框。

CASTEP Calculation对话框的Setup选项卡

在CASTEP Calculation对话框的Setup选项卡中，确认Task设置为Energy，Quality设置为Medium。

如果更改了计算精度，其他参数也将发生变化从而反映此更改。接下来，将设置计算中的电子选项。

在Electronic选项卡中，从Pseudopotentials下拉列表中选择OTFG ultrasoft。

计算芯能级谱需要使用On the fly (OTFG)赝势。如果选择其他种类的赝势，则不能执行芯能级谱的计算。

接下来需要指定想要计算的性质。

在Properties选项卡中，勾选芯能级谱Core level spectroscopy复选框，设置能量范围Energy range到40 eV。

CASTEP Calculation对话框的Properties选项卡

芯能级谱的能量范围为40 eV，将允许获得费米级以上40 eV的能量。

在Job Control选项卡中，单击More...按钮，打开CASTEP Job Control Options对话框。将Update interval更改为30.0 s，关闭对话框。

如果想要在远程服务器上运行计算，可以在Job Control选项卡中指定。

单击Run按钮，关闭对话框。

几秒钟后，Project Explorer中将显示一个新建的文件夹，包含计算得到的所有结果文件。在Job Explorer中，显示计算任务的状态信息。

当计算完成后，文件将被传输到客户端，根据文件大小，该过程可能需要一定时间。当结果文件被传输回来，应该包含下列几个文档：

• BN.xsd-晶体结构

• BN.castep-CASTEP能量计算的结果输出文件

• BN _EELS.castep-CASTEP芯能级谱计算的结果输出文件

• BN.param和BN_EELS.param -输入信息，在继续计算之前保存输入文件将创建这些文件，并可对其进行编辑

一旦计算完成，即可以在Project Explorer中的名为BN CASTEP Energy的文件夹中查看这些文件。

【系列教程】

Materials Studio官方教程：CASTEP——模拟Pd(110)表面上CO分子体系的STM图【1】

Materials Studio官方教程：CASTEP——Pd(110)表面上的CO分子的差分电荷密度【1】

Materials Studio官方教程：CASTEP——计算铁磁性铁的声子谱【1】

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