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能带和态密度图的绘制及初步分析（精品pdf）
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新手上路, 积分 28, 距离下一级还需 22 积分
贡献0 金钱16 威望2
我想用CASTEP算ZnO掺杂的一些性质。建立2*2*2的超胞并优化后，用四核的服务器并行算properties，选择其中的Density of State（DOS），并且明明勾选了calculate PDOS, 计算总是进行了七八个小时之后失败，但是有文件传回。奇怪的是分析DOS.castep文件时，能显示TDOS，却不能显示PDOS图（该选项是灰色的，前面无法打钩）。不知道问题出在哪里，请遇到类似问题的各位网友帮忙分析。
主要是两个问题：
?& &?&&1.为什么计算总是失败，我是完全按照文献上的参数设置的。Ecut=370 eV,K=4*4*2, 收敛精度为2.0e-5 eV/atom,原子间相互作用力收敛标准为0.05 eV/埃，FFT=36*36*60.请帮忙分析该参数这样设置到底有没有什么问题。多谢了！
?& &? 2. 为什么在计算前明明勾选了calculate PDOS,却能显示TDOS图，而无法显示PDOS图。
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注册会员, 积分 1399, 距离下一级还需 1601 积分
贡献-2 金钱0 威望1
之前有看过help,其中对于显示PDOS的设置有如下要求：
To create a PDOS chart
1.Choose Modules | CASTEP | Analysis from the Materials Studio menu bar.
2.Select Density of states from the list of properties.
3.Use Results file selector to pick the right results file.
4.Select Partial to display the partial DOS.
5.Check the required angular momentum components for the PDOS.
6.Select the atom or atoms in the model, for which the PDOS is to be created.
7.For spin-polarized calculations, select the required DOS component from the DOS display dropdown list.
8.Optionally, set additional CASTEP DOS analysis options. The Interpolation Integration method gives more accurate results than the Smearing method, although it is slightly slower.
9.Click the View button.
10.A new chart document, seedname PDOS.xcd, is created in the results folder.
我能做的都做了，还是不行啊，怎么回事呢？:sweat::sweat::sweat:
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高级会员, 积分 14503, 距离下一级还需 5497 积分
贡献-6 金钱-7 威望2
Note. PDOS analysis formalism is not valid for high energy states in the conduction band: PDOS representation will usually decay to zero at about 20 eV above the Fermi level. This is related to the fact that expansion of essentially free electron states in terms of a limited number of atomic-like basis functions is impossible to carry out with any degree of accuracy. Only the valence band and lower part of the conduction band are meaningful in the PDOS plot.
另外，在help中还有这些关于PDOS的话，这又是什么意思呢?我是初学者，可能这段话跟上述问题关系不大，但是还是请高手帮忙解释一下含义。
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中级会员, 积分 7342, 距离下一级还需 658 积分
贡献0 金钱-5 威望2
顶顶祝福解决
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中级会员, 积分 6090, 距离下一级还需 1910 积分
贡献-1 金钱-5 威望2
别的不用打开,
你只需计算完成后,
在计算文件夹中把你的模型打开
analysis it 即可
your false is
you should be
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中级会员, 积分 7346, 距离下一级还需 654 积分
贡献-4 金钱-5 威望1
看来计算精度不算太大，你的内存多大？需要把失败提示贴出来，这一点很关键，否则很难说啊，很可能是Pdos这一步没算完就失败了，所以显示是灰色的不能分析。
第二个问题，我是这样理解的：因为在计算时选用的原子及相应平面波个数有限，这样得出的原理费米能级的那些带的误差是很大的，所以那些意义不大，只看费米面附近的就行了。
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中级会员, 积分 7127, 距离下一级还需 873 积分
贡献-1 金钱-4 威望2
:rol::rol:谢谢网友们的热心回答，特别感谢ｌｚｌ８１８１，但是我还很是迷惑的是：
我的情况跟计算失败应该关系不大，因为我还对ZnO单胞的DOS同样做了运算，计算很快成功完成，没有出错提示，仍然是勾选过ＰＤＯＳ选项，但是没有办法显示ＰＤＯＳ图，还是灰色的，看来应该是跟我对软件不够熟悉有关．．．．．．但不知问题出在哪里？？？
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高级会员, 积分 8599, 距离下一级还需 11401 积分
贡献-2 金钱-2 威望2
会不会是你选错了结果文件进行分析造成的呢？
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中级会员, 积分 7221, 距离下一级还需 779 积分
贡献-3 金钱0 威望2
呵呵,往往是简单的地方你没有熟悉到,应该是个很小的问题.
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高级会员, 积分 8862, 距离下一级还需 11138 积分
贡献-4 金钱-2 威望2
除了说谢谢以外，我还想说我已经这么做了，文件也没有选错，不就是*_DOS.castep么？但是却没办法像您图中那样把PDOS选中，永远是该死的灰色.......盼望问题快解决.......
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castep 软件的主要功能及原理
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3秒自动关闭窗口NaCl型半金属铁磁体CrCa7Se8的第一性原理研究--科研立项网
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QQ：微信账号：qq
NaCl型半金属铁磁体CrCa7Se8的第一性原理研究
18:22:59 来源: 作者: 点击数:940
陈沛达重庆邮电大学光电学院，重庆，400065
摘要：本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究，优化了具有NaCl结构的CrCa7Se8的几何结构，计算了其自旋极化的电子态密度，电荷分布和离子磁矩等电学和磁学性能，并分析了其电子结构，展望了其在自旋电子学中的应用。研究表明，CrCa7Se8在费米面处具有+100%的自旋极化率，呈现出半金属性，其超胞磁矩为4.00 μB，磁矩主要来源于过渡元素Cr。CrCa7Se8具有较宽的自旋带隙和较大的超胞磁矩，可作为自旋半导体材料的优质自旋注入材料。同时，它可能具有较高的居里温度，从而在自旋电子学中具有广泛的应用前景。Cr离子的电子结构为eg2↑t2g2↑。关键词：半金属铁磁体，自旋半导体，电子结构，超胞磁矩
The first principles researches on the NaCl-type half-metallic ferromagnet CrCa7Se8Chen PeidaCollege of Electroning Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China
Abstract&&& The first principles researches based on the density function theory are performed to optimize the geometric structure of NaCl-type compound CrCa7Se8. Their electric and magnetic properties such as the spin-polarized state densities, the charge distributions and the ionic magnetic moments are calculated. Then the electronic structures are analyzed. Their application prospects in the spin electronics are analyzed. From our researches, the spin polarization of CrCa7Se8 at the Fermi level is +100%, so it is probably half-metallic ferromagnets. CrCa7Se8 exhibits a half-metallic characteristic and is suitable for spin injectors. Its supercell magnetic moment is 4.00 μB, which arises mainly from the Cr-ion. CrCa7Se8 has wide half-metallic gap and then high Curie temperature possibly, which indicates wide application prospects in spintronics. The electronic structures of Cr-ion are Cr: eg2↑t2g2↑.Keywords half-metallic ferromagnets, spin semiconductors, electronic structures, • supercell magnetic moment 1 前言十九世纪八十年代，de Groot等人在half-Heusler合金NiMnSb和PtMnSb中发现了一种新型的能带结构 [1]。它的一种自旋取向的电子的能带结构呈现金属性，即费米面处于导带中，具有金属性；而另一种自旋取向的电子呈现绝缘体性质或半导体性质。具有这种能带结构的材料称为半金属铁磁体。作为一种全新的功能材料，半金属材料具有极大的应用前景。首先，基于传统半导体电子学的半导体器件的信息载体是电子的电荷性，完全没有利用电子的自旋性。相反地，基于传统磁电子学的磁电子器件的信息载体是电子的自旋性，而没有考虑电子的电荷性。因此，对电子的两种内禀属性的研究几乎长期独立进行。在半金属材料中，电子的电荷性及其自旋性可以同时被控制，这样导致电子学从一维电子学推广到二维电子学，信息载体数量得到了显著提升，极有可能产生新一代电子器件。其次在自旋半导体学中，理论上已证明从电阻率较小的铁磁材料向电阻率较大的半导体材料中注入自旋极化电子的效率小于2% [2]。低注入效率是目前制约半导体自旋电子学技术发展的一个关键问题。低注入效率的直接原因是两种材料之间电阻率的失配以及铁磁金属较低的自旋电子极化率。与普通铁磁材料相比，半金属铁磁体更容易在电阻率上与半导体材料实现匹配。同时，半金属材料具有100%的自旋极化率，因而是一种非常理想的半导体自旋电子注入源 [3]。将半金属铁磁体用于自旋阀、隧道结等磁电子器件中可以显著改善巨磁电阻器件的质量和性能 [4-9]。自半金属铁磁体被发现的二十余年中，人们一直在不断探寻各种可能的半金属铁磁体。其中，常见的半金属材料有：Heusler合金，如Co2MnSi [10,11]，Co2FeSi [12]，Cr2CoGa [13]和Mn3-xCoxGa [14]；金属氧化物，如CrO2 [15] 和 Fe3O4 [16]；钙钛矿化合物，如La0.7Sr0.3MnO3 [17]，Sr2FeMoO6 [18]和Sr2FeCoO6-x(x=0,1,2) [19]；闪锌矿化合物，如CrAs和CrSb [20, 21]；纤锌矿化合物，如TmZn15S16(Tm=V，Cr，Mn) [22]。不难发现，现有的研究方向主要集中于纤锌矿结构、闪锌矿结构和Heusler合金结构等，而对于NaCl结构的半金属铁磁体，研究很少涉及。刘俊等曾发现N掺杂的NaCl结构SrX(X=O, S, Se和Te)具有潜在的半金属性 [23]，Dong等在NaCl结构化合物MC(M=Ca，Sr，Ba) [24]中也发现了半金属性存在的可能性，而对于类似结构掺杂过渡金属的研究则报道较少。因此本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究，计算过渡元素Cr掺杂的NaCl结构的化合物CrCa7Se8的自旋极化的能态密度、离子磁矩，分析其半金属性和电子结构等电学和磁学性质，探索过渡元素对体系电学和磁学性质的影响，并探讨影响机理，为实验研究提供有意义的参考。最后，分析其在自旋电子学中的应用前景。
2 物理模型及计算方法NaCl结构的CaSe是一种常见半导体材料，其1×1×1超胞的晶格常数为a =b=c= 0.5916nm [25]。其空间群为FM3-M，晶胞中Se排列成立方密堆积，Ca填充在Se构成的八面体空隙中。为与实验掺杂组分（10-30%）一致，我们选取包含8个Ca和8个Se原子的1×2×1的超胞，用过渡元素原子Cr替带超胞中的一个Ca原子实现掺杂，见图1，故杂质含量为12.5%，掺杂体系记为CrCa7Se8。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理程序包Castep作计算软件。该计算模块根据周期性边界条件, 利用总能量平面波赝势的方法，将离子势用赝势替代，电子波函数通过平面波基组展开, 电子-电子交换相互作用和相关势分别由局域密度近似和广义梯度近似中的PBE函数进行校正。选取Cr, Se和Ca的电子组态分别为Cr：3s23p63d54s1，Se：3s24p4，Ca：3s23p64s2。采用fine的计算精度，相应的截止能量为290 eV，k网格点集为9×4×5。当超胞中所有原子的残余力小于-0.01 eV•nm-1时，超胞晶格常数和原子位置停止优化。自洽能量设置为10-5 eV。本文首先对NaCl结构CrCa7Se8的超胞进行几何结构优化，然后再进行电子性质计算。&图1 CrCa7Se8的1×2×1超胞Fig.1 The 1×2×1 supercell of CrCa7Se83 计算结果及讨论3.1 结构优化为了验证本文所采用计算方法的可靠性，首先将结构优化所得的CaSe的晶格参数值与实验值及其他理论值进行比较，见表1。从表1，计算所得CaSe的1ɬ1超胞的晶格常数值为a =c=0.6021nm，b=1.2043nm，折合为1ɬ1的原胞后，与文献[25]的实验值偏差不到0.1%，即与实验值吻合较好，这说明我们所采用的计算方法是可靠的。通过结构优化得到的CrCa7Se8的晶格常数为a=c=0.5927nm，b=1.179nm。
表1　CaSe的几何结构参数的计算值及实验值Table 1 The calculated geometric parameters and the corresponding experimental of CaSe晶格结构参数&实验值（1ɬ1）&计算值（2ɬ1）a=c/nm&0.1b/nm&0.3b/a&1&2.00023.2 总态密度图图2给出了CrCa7Se8的自旋极化的总态密度（TDOS）图，图中实线和虚线分别表示电子在不同能量处的自旋向上子带和自旋向下子带的总态密度。能量在-25至-7 eV之间的态密度关于横轴（DOS=0）呈现轴对称分布，且它们的能量远小于费米能，对材料的磁学和电学性能没有影响，因此在图2中未画出。从图2中可以看出能量在-6.0到5.0 eV范围内，CrCa7Se8分布着三个子带，其中第一个子带的能量范围为（-5.0，-0.6 eV），且对应的自旋向上和向下子带均为价带。它们对横轴并非轴对称，因此对材料的磁性能有重要影响。第二个子带没有自旋向下子带，且自旋向上子带横跨费米面，使得材料具有半金属性，即只有自旋向上的电子可以在材料中进行输运，而自旋向下的电子则局域在离子周围，不能传输。该子带对CrCa7Se8的磁性及导电性均具有重要影响。尤其是，它导致了材料具有单自旋电子输运。此外，费米面处于自旋向下子带的带隙中央，表明材料的半金属性相对比较稳定。第三个子带的能量大于费米能，该子带呈现近似轴对称分布，对材料的电学和磁学性能影响不大。&图2 CrCa7Se8的自旋极化总态密度图Fig.2 Spin-polarized total density of states (TDOS) of CrCa7Se8
另外，由图2的放大图可知，CrCa7Se8的半金属性带隙约为0.6 eV。此处，半金属性带隙定义为费米面到自旋向下子带的价带顶和导带底的能量距离的最小值。由于Castep软件对激发态电子的关联效应的低估，理论上得出的隙比实验小得多 [25]，这说明CrCa7Se8的带隙宽度的实验值要大于我们的计算值，因此可预测此半金属材料具有较宽的半金属带隙，从而具有稳定的半金属性。较宽的半金属带隙对应较高的居里温度，因此也可预测磁材料具有较高的居里温度，从而在自旋电子学中极具应用前景。3．3自旋极化的分波态密度及局域态密度图3给出CrCa7Se8自旋极化的分波态密度（图3右图）及局域态密度图（图3左图）。图中位于横轴之上和下的曲线分别表示自旋向上和自旋向下的子带。分波态密度包括总的s，p和d轨道上的电子态密度，局域态密度则分别给出一个Cr离子及其近邻的一个Se离子，以及一个Ca离子的电子态密度。由图3可知，CrCa7Se8的第一子带主要来源于Cr-3d和Se-4p轨道，部分电子来自Ca-4s轨道；第二子带主要来自于Cr-3d轨道，部分来自Se-4p轨道中；第三子带主要由Cr-3d和Se-3s轨道组成。通过第一性原理计算所得Cr离子的离子磁矩为4.5 μB，远大于Ca和Se离子的的磁矩，这表明CrCa7Se8的磁矩主要来源于Cr离子。将CrCa7Se8超晶胞中所有离子磁矩相加，可以得到超胞的磁矩为4.00 μB。超胞具有整数磁矩是半金属铁磁体一个非常重要的特征，这再次表明CrCa7Se8具有半金属性，这与图2和图3由态密度图得到的CrCa7Se8具有半金属性的结论是一致的。 &图3& CrCa7Se8的局域态密度和分波态密度Fig.3 Spin-polarized local density of states (left) and partial local density of states (right) of CrCa7Se8
根据配位场理论[26, 27]，掺杂Cr原子后，中心Cr离子的周围存在6个配体Se离子，这六个配体离子与中心离子形成八面体，见图4。中心离子与配体间存在强烈的晶体场，从而使得过渡元素Cr的3d轨道发生能带劈裂，形成能量较低的二重简并的eg成键轨道和三重简并的t2g成键轨道，及能量较高的二重反键轨道e*g和更高能量的三重反键轨道t*2g。Cr离子有5个3d电子，但是其中一个进入了4s轨道，导致4s轨道具有配对的电子对，根据能量最低原理，剩余的4个电子进入eg成键轨道和三重简并的t2g成键轨道。由于CrCa7Se8的晶体场较弱，电子将按高自旋方式排列，因此Cr离子的电子结构为eg2↑t2g2↑。在这样的电子结构下，超胞磁矩为4.00 μB，与计算值一致。&图4 Cr离子与其Se配体构成八面体结构Fig. 4 The octahedron structures of the Cr-ion and the Se-ligands around it四& 结论本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究，优化了CrCa7Se8的几何结构，计算了其电学和磁学性能，分析了其电子结构。CrCa7Se8在费米面处具有+100%的自旋极化率，呈现出半金属性，其超胞磁矩为4.00 μB，磁矩主要来源于过渡元素Cr。CrCa7Se8具有较宽的自旋带隙和较大的超胞磁矩，可作为自旋半导体材料的优质自旋注入材料。同时，它可能具有较高的居里温度，从而在自旋电子学中具有广泛的应用前景。Cr离子的电子结构为eg2↑t2g2↑。
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