铁电体材料理论及性综述课件.ppt

1、主要汇报内容 铁电体材料相关概念1铁电体材料的特性 2典型的材料和应用 3MS在材料中的应用4 铁电体与铁磁体在许多性质上具有相应的平行类似性，“铁电体”之名即由此而来，其实它的性质与“铁”毫无关系。 早期在欧洲（如法国、德国）常称“铁电体”为“薛格涅特电性”（Seignett-electricity）或“罗息尔电性”（Rochell-electricity）。 因为历史上铁电现象可以认为是首先于1920年法国人Valasek在罗息盐中发现的，当时他观察到的是反常的介电特性。而罗息盐是在1665年被法国药剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制备出来。1、铁电材料发展历程 在1935年Busch发现

2、了磷酸二氢钾KH2PO4简称KDP，其相对介电常数高达30，远远高于当时的其它材料。 1940年之后，以BaTiO3为代表的具有钙钛矿结构的铁电材料陆续被发现，这是铁电历史上里程碑式的时期。1、铁电材料发展历程 70年代以来，研制成功透明铁电陶瓷，使得铁电体的光学效应在更广阔的科技领域加以利用。 80年代以来，铁电薄膜的出现，被广泛应用于制作铁电存储器使得铁电体的光学效应在更广阔的科技领域加以利用。1、铁电材料发展历程 铁电体(ferroelectrics)是电介质的一个亚类，其定义是指在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以在外电场作用下改变方向的晶体。 由于自身结构的原因，铁电体同时具有压

3、电性和热释电性，此外一些铁电晶体还具有非线性光学效应、电光效应、声光效应、光折变效应等。 铁电体这些性质使它们可以将声、光、电、热效应互相联系起来，成为一类重要的功能材料。2、什么是铁电体材料？（1）极化 polarization 在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化。单位面积的极化电荷量称为极化强度，它是一个矢量，用P表示，其单位为C/m2 。3、相关概念（3）介电常数 dielectric constant 表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数，用表示，无量纲。（2）自发极化 spontaneous polarization 在

4、没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自发极化。在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强度。3、相关概念 介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的内在联系。按照其对称性，晶体可分为7大晶系，32种点群，其中有20种点群不具有中心对称，它们的电偶极矩可因弹性形变而改变，因而具有压电性并称为压电体。在压电体中具有唯一极轴（又称为自发极化轴）的10种点群可出现自发极化，即在无外电场存在的情况下也存在电极化。它们因受热产生电荷，故称为热释电体。在这些极性晶体中，因外加电场作用而改变自发极化方向的晶体便是铁电体。因此，凡是铁电体必然是热释电体，而热释电体

5、也必然是压电体。3、相关概念电介质材料电介质材料压电材料：石英压电材料：石英热释电材料：电气石热释电材料：电气石铁电材料：铁电材料：KDPKDP压电陶瓷材料压电陶瓷材料PZTPZT3、相关概念 铁电材料的介电常数可高达103104（普通电介质的介电常数仅为几十），具有功能多、用途广、品种繁多的特点。 利用其高介电常数的特点，可以用于制作小体积、大容量的低频电容器，广泛应用在滤波、旁路、隔直等电子线路中。 利用其压电特性，可以用于制作压电陶瓷谐振器、滤波器、压电传感器、超声换能器、压电变压器等电子元器件。3、相关概念ABO3型钙钛矿结构 钙钛矿结构以BaTiO3的结构为代表，许多铁电、介电、压电

6、、光电以及高温超导材料都具有钙钛矿结构，如： BaTiO3, PbZrO3(Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O34. 铁电材料的钙钛矿结构a 简单钙钛矿结构化合物ABO3型A位：+2价阳离子，如Mg2+， Ca2+，Sr2+，Ba2+，Zn2+，Pb2+等B位：+4价阳离子，如Ti4+，Zr4+等典型化合物： BaTiO3 ， CaTiO3 ， SrTiO3 ， PbTiO3 ，ZnTiO3 ， BaZrO3 ， PbZrO3 等4. 铁电材料的钙钛矿结构b 复合钙钛矿结构化合物（A1 x1 A2x2）

7、（）（B1y1B2y2）O3型型A1A2占据A位，满足条件： 其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学计量比:x1+x2=1 A位化合价位化合价= A1x1+A2 x2=+2价价4. 铁电材料的钙钛矿结构B1B2占据B位，满足条件：B位化合价= B1y1+B2 y2=+4价B1离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+等B2离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等y1，y2分别为B1离子和B2离子化学计量比:y1+y2=14. 铁电材料的钙钛矿结构b 复合钙钛矿结构化合物（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型A位变化形成的化合物：(A A+1

8、+11/21/2A A+3+31/21/2)TiO)TiO3 3型(Na1/2Bi1/2)TiO3(K1/2Bi1/2)TiO3(A A1 1+2+2A A2 2+2+2)TiO)TiO3 3型(Sr,Ba)TiO3(Mg,Zn)TiO3(Sr,Ba)ZrO3(Sr,Pb)ZrO34. 铁电材料的钙钛矿结构4. 铁电材料的钙钛矿结构Pb(B+21/3B+52/3)O3型Pb(B+32/3B+61/3)O3型Pb(B+21/2B+61/2)O3型Pb(B+31/2B+51/2)O3型B位变化形成的化合物：A(B1+4，B2+4)O3型Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)

9、O3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3， Pb(Mg1/3Ta2/3)O3Pb(Mg1/2W1/2)O3，Pb(Co1/2W1/2)O3Pb(Fe1/2Nb1/2)O3，Pb(Fe1/2Ta1/2)O3Pb(Ti，Zr)O3， Ba(Ti，Zr)O3Pb(Fe2/3W1/3)O3，Pb(Mn2/3W1/3)O3电滞回线 Hysteresis loop居里温度 Curie temperature Tc介电反常 Dielectric anomalous1、电畴 ferroelectric domain 铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，电畴与电畴之间的交界称为畴壁。两种：90畴壁和180畴壁 电

10、滞回线是铁电体的一个特征。它表示铁电晶体中存在电畴。它是铁电体的极化强度P随外加电场强度E的变化轨迹。 2、铁电体的电滞回线 hysteresis loop饱和极化强度Ps剩余极化强度Pr矫顽电场强度EcSawyer-Tower 电路2、铁电体的电滞回线 hysteresis loop 使剩余极化强度降为零时的电场值Ec称为矫顽电场强度（矫顽场） 在强电场作用下，使多畴铁电体变为单畴铁电体或使单畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为畴的反转。Ps：饱和极化强度Pr：剩余极化强度ABCBDFGHKC变化过程：2、铁电体的电滞回线 hysteresis loop3、压电效应 piezoelectr

11、ic effect 晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种由机械效应转换成电效应的过程称为正压电效应。力力 形变形变 电压电压 正压电效应正压电效应电压电压 形变形变 逆压电效应逆压电效应 晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应。4、电致伸缩效应 electrostrictive effect 晶体在受到外电场E激励下产生形变S，但二者呈非线性关系，形变S与电场的平方E2呈线性关系，即： SE2这种效应称为电致伸缩效应。与压电效应的区别： 压电效应产生的应变与电场成正比，当电场反向时，

12、应变改变符号，即正向电场使试样伸长，反向电场使试样缩短。 电致伸缩效应产生的应变与电场的平方成正比，当电场反向时，应变不改变符号，即无论正向电场或反向电场均使试样伸长（缩短）。4、电致伸缩效应 electrostrictive effect 5、热释电效应 pyroelectric effect 在10种具有单一极轴的点群晶体中，绝缘或半绝缘的极性晶体因为温度均匀改变而使晶体出现结构上的电荷中心相对位移，使自发极化强度发生变化，从而在两端产生异号的束缚电荷，这种现象称为热释电效应。 当晶体从高温降温经过时，要经过一个从非铁电相（有时称顺电相）到铁电相的结构相变。温度高于时，晶体不具有铁电性，温

13、度低于时，晶体呈现出铁电性。通常认为晶体的铁电结构是由其顺电结构经过微小畸变而得，所以铁电相的晶格对称性总是低于顺电相的对称性。如果晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺电-铁电相变温度才称为居里点；晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度称为相变温度或过渡温度。 6、居里温度（Tc） 铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和热学性质等在居里点附近都要出现反常现象，其中研究的最充分的是“介电反常”。因为铁电体的介电性质是非线性的，介电常数随外加电场的大小而变，所以一般用电滞回线中在原点附近的斜率来代表铁电体的介电常数，实际测量介电常数时外加电场很小。大多数铁电体的介电常数在居里点附近具有很大的数值，

14、其数量级可达，104-105，此即铁电体在临界温度的“介电反常”。 7、介电反常临界特征 当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与温度的关系服从居里-外斯定律：0CTT 式中：C为居里-外斯常数；T为绝对温度；T0为顺电居里温度，或称居里-外斯温度。 8、居里外斯定律Curie-Weiss law BaTiO3陶瓷材料的铁电性能在1942年被人们发现，由于其性能优良，工艺简便，很快被应用于介电、压电元器件。1954年人工法成功制备出BaTiO3单晶，至今， BaTiO3陶瓷仍是应用的最广泛和研究得比较透彻的一种铁电材料。1、BaTiO3陶瓷材料 120立方晶胞 6120四方晶胞 -906斜方晶胞

15、 -90三方晶胞 BaTiO3 晶体结构有立方相、四方相、斜方相和三方相等晶相，均属于钙钛矿型结构的变体，四方相、斜方相和三方相为铁电相，立方相为顺电相。1、BaTiO3陶瓷材料 BaTiO3在室温附近（20）为铁电相，当温度高于居里温度（120），铁电相转变为顺电相。顺电相BaTiO3的结晶学原胞如图所示：顺电相BaTiO3的结晶学原胞 在钙钛矿结构中，有一种非常重要的结构-氧八面体结构。钙钛矿结构中氧八面体结构和金刚石结构中的正四面体结构是固体物理学中两类非常重要的典型结构。1、BaTiO3陶瓷材料BaTiO3的介电-温度特性 介电常数随温度的变化显示明显的非线性，室温介电常数一般为300

16、05000，在居里温度处（120）发生突变，可达10000以上。1、BaTiO3陶瓷材料 在居里温度以上， BaTiO3的介电常数随温度的变化遵从居里-外斯定律：CTTTA其中：AT为居里外斯常数；Tc为居里温度（120）TCTATTA11T1上式化为：1、BaTiO3陶瓷材料 改变居里温度使介电常数峰值处于可利用的温度范围。掺杂掺杂SrSr2+2+取代取代BaBa2+2+可降低居里温度。可降低居里温度。掺杂掺杂PbPb2+2+取代取代BaBa2+2+则升高居里温度。则升高居里温度。 BaTiO3的晶粒尺寸一般为310m，采用高价阳离子取代会抑制晶体成长，可提高居里温度以下的介电常数。 掺杂L

17、a3+取代Ba2+或Nb5+取代Ti4+减小晶粒尺寸。晶粒尺寸对BT介电常数的影响1、BaTiO3陶瓷材料2、弛豫铁电陶瓷 ferroelectric ceramics 弛豫铁电陶瓷，又称电致伸缩陶瓷，是铁电材料大家族中的一重要分支，其独特的弛豫特性将传统理论认为互无联系的弛豫现象和铁电现象联系到一起。介电常数高（1000040000）相对低的烧结温度（1200）电致伸缩效应大（L/L达10-3）剩余极化小电致应变滞后小容温变化率低（10%）主要是含铅的Pb(B1B2)O3系列复合钙钛矿结构材料，其中：B1为典型的低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+，Sc3+等；B2为典型的高

18、价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+等。 最早发现的铅系弛豫铁电陶瓷是Pb(Mg1/3Nb2/3)O3（简称PMN），该材料于50年代由前苏联科学家G.A.Smolensky等人最先制备出来，此后又发展出多种复合钙钛矿型弛豫铁电陶瓷材料，代表性的有：Pb(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、Pb(Sc1/2Ta1/2)O3（简称PZN、PNN、PFN、PST)等。 传统理论认为弛豫现象和铁电现象是互不相关的两种现象，普通铁电体和极性介质弛豫体是完全不同、互无联系的两大类材料。但是复合钙钛矿结构化合物既有明显的铁电性质，又呈

19、现强烈的弛豫特点。也就是说，这一类材料将正常铁电体和极性介质弛豫体联系起来。 2、弛豫铁电陶瓷 ferroelectric ceramics普通铁电体BaTiO3和弛豫铁电体Pb(Mg1/3Nb2/3)O3的介温性能曲线弛豫铁电体与正常铁电体相比，主要特征有： 弥散相变，即顺电铁电相变是逐渐的变化而非突变，表现为介电常数与温度的关系曲线中介电峰的宽化，高于居里温度附近仍存在自发极化和电滞回线. 频率色散，即在Tm附近低温侧介电峰和损耗峰随测试频率的提高，而略向高温方向移动，而介电峰值和损耗峰分别随频率增加而略有降低和增加。 随着微电子技术，精密机械光学系统和自动控制等高科技的迅速发展，对于由弛

20、豫铁电陶瓷材料制作的多层陶瓷电容器（MLCC），微位移器，致动器等的要求与日俱增，这也是近年来弛豫铁电陶瓷得以迅速发展的主因和背景。 其作为一种实用化的材料，通常需要把居里温度调节到室温附近，以获得较高的室温介电常数，并且使容温变化率满足一定温度稳定性的要求。 2、弛豫铁电陶瓷 ferroelectric ceramics 温度对介电性能的影响表现在介温谱上，弥散相变区越宽，温度稳定性越好，弥散相变区越窄，温度稳定性越差。 用弥散相变度来描述相变区的大小，值大，相变范围宽，值小，相变范围小，它由下式决定：112022m a xm a xTT介电常数温度稳定性T0为居里温度为温度T时的介电常数m

21、ax为T0对应的最大介电常数 2、弛豫铁电陶瓷 ferroelectric ceramics 在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具有优良的性能，已经用来制造滤波器、换能器、变压器等。 随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越高了，二元系PZT已经满足不了使用要求，于是研究和开发性能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料。 工艺性差（粉化，PbO易挥发） 工艺性好g33=33(10-3伏米/牛) g33=11.4(10-3伏米/牛) d33=56(10-12库/牛) d33=191(10-12库/牛) Kp =0.095 Kp =0.354 难极化 易极化热稳定性好 热稳定

22、性差 Tc=490 Tc=120工作温区宽工作温区窄PbTiO3陶瓷 BaTiO3陶瓷 一元系压电陶瓷二元系Pb(ZrTi)O3压电陶瓷P P b bZ Z r rO O3 3P P b bT T i iO O3 3相相 结结 构构钙钙 钛钛 矿矿 结结 构构钙钙 钛钛 矿矿 结结 构构晶晶 体体 结结 构构正正 交交 晶晶 系系正正 交交 晶晶 系系居居 里里 温温 度度 T Tc c2 2 3 30 0 4 4 9 90 0 类类 别别反反 铁铁 电电 体体铁铁 电电 体体 T Tc cc c / /a a = =0 0 . .9 98 8 1 1 1 1 T Tc c立立 方方 顺顺 电

23、电 相相 因此，PbZrO3和PbTiO3的结构相同，Zr4+与Ti4+的半径相近，故两者可形成无限固溶体，可表示为Pb(ZrxTi1-x)O3，简称PZT瓷。PbZrO3-PbTiO3相图 1、随Zr：Ti 变化，居里点几 乎线性地从235变到490 ，Tc线以上为立方顺电相，无压电效应。 2、Zr：Ti=53：47附近有一准同型相界线，富钛侧为四方铁电相FT；富锆一侧为高温三方铁电相FR，温度升高，这一相界线向富锆侧倾斜，并与Tc线交于360（表明相界附近居里温度Tc高），在相界附近，晶胞参数发生突变。立方顺电相立方顺电相四方铁电相四方铁电相高温三方铁高温三方铁电相电相A0反铁电正交相 3

24、、在四方铁电相FT与三方铁电相FR的相界附近具有很强的压电效应，Kp, 出现极大值，Qm出现极小值。低温三方铁电相准同型相界：四方铁电相与三方铁电相的交界，并不是一个明确的成分分界线，而是具有一定的成分范围，在此区域内，陶瓷体内三方相和四方相共存。PbZrO3-PbTiO3准同型相界的KP、d、Pr 在相界附近的在相界附近的PZTPZT瓷压电性能比瓷压电性能比BaTiOBaTiO3 3瓷高得多。瓷高得多。 由于相界处由于相界处PZTPZT瓷的瓷的T Tc c高高(360)(360)，因而在，因而在200200以内以内,K,KP P和和 都很稳定，都很稳定，是理想的压电材料。是理想的压电材料。多

25、元系Pb(TiZr)O3压电陶瓷一些性能往往是互相克制的，如： 国内比较常见的PZT瓷料的性能KP=0.100.40，Qm=5003600 ,具有比较宽的覆盖范围，能满足一般压电器件的要求，但这些性能都不是最佳值。 1965年以来，人们通过在PZT的基础上再固溶另一种组分更复杂的复合钙钛矿化合物Pb(B1B2)O3而形成的三元系、四元系甚至五元系压电陶瓷以获得更好的压电性能。Qm 增加 ，则KP减小 ； 增加，则tan增大 ； KP增加 ，则热稳定性。Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3三元系压电陶瓷四元系压电陶瓷五元系压电陶瓷Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTi

26、O3-PbZrO3Pb(Sb1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Cd1/2W1/2)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Cd1/2W1/2)O3 -Pb(Zn1/3Nb2/3)

27、O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Cd1/2W1/2)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3 以Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3系为例，三者能完全固溶，且具有三种晶型。 富Ti区主要为三方铁电体,富Nb、Mg区为假立方铁电体。 随着Pb(Mg1/3Nb2/3)O3固溶量的增加，在室温下将出现两条准同形相界，当成分在准同形相界附近时都具有特别突出的压电性能。因此使具有优异压电性

28、能的组成范围更为宽广。什么是分子模拟?Molecular modeling places on the representation and manipulation of the structures of molecules, and properties that are dependent upon those three dimensional structures.表征材料结构，以及与结构相关的性质 解释设计材料结构，以及与结构相关的性质 预测 为什么需要分子模拟? 建立材料结构，组成与性能间的关系 直观、简便、可控 预测材料结构和性能 节约研究成本。 Materials Visu

29、alizer提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模型所需要的所有工具。运用这些工具可以操作、观察及分析结构模型。 Materials Visualizer可以处理图表、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具以支持Materials Studio 的其他产品， Materials Visualizer是Materials 产品系列的核心模块。 将可靠的科学工具带到你的桌面PC系统上，这些科学工具的可靠性被许多世界领先的研究机构的工作所证实。Materials Visualizer 可以做什么？建模和编辑工具可以搭建、显示和操作晶体的结构v Materials Visualizer

30、提供了建模、分析和显示的工具，结合其清晰直观的图形用户界面而组成了一个高质量的模拟环境，你可以在其中调用Materials Studio的其他产品。作为一个全面的模拟和显示系统，Materials Visualizer也可以单独使用。产品特点：1、图形用户界面;2、易用的、符合Microsoft标准的用户界面可在Windows98,2000,Me,XP操作系统下运行;3、全面的、上下文相关的、可查询的在线帮助系统;4、多步的撤销和恢复功能;5、项目管理器可以实现项目数据的快速、有序的管理;6、模块管理器可快速调用Materials Studio的其他产品;7、可以管理和监测远程和本地服务器上计

31、算作业的工具，支持Materials Visualizer对其他 Materials Studio产品的使用;8、显示和信息交流：9、显示和操纵材料和分子结构的高质量的三维模型;10、以一维和二维图表数据的方式显示和操作计算结果。专业的晶体建模工具：专业的晶体建模工具： 以晶胞参数、原子坐标和对称性为基础，Crystal Builder 可以搭建周期性的结构； 包括空间群在内的对称性信息的输入与编辑； Symmetry Finder 可分析模型并得到对称性信息； 易于使用的超晶胞构建工具。CASTEP CASTEP CASTEP最先由英国剑桥大学凝聚态理论小组开发，它采用密度泛函理论模拟很大一

32、类材料固体、界面和表面的性质。CASTEP基于总能量的平面波赝势理论，运用原子数目和种类来预测包括晶格参数、分子对称性、结构性质、能带结构、固态密度、电荷密度和波函数、光学性质。高效并行版本可以模拟包含数百原子的大系统。预测AlAs的晶格参数 主要是阐明在Materials Studio当中如何运用量子力学来测定物质的晶体结构。将从中学到如何构建晶体结构以及如何设置CASTEP几何优化运行和分析结果。内容如下： 1. 构建AlAs的晶体结构 2. 设置和运行CASTEP中的计算 3. 分析结果 4. 比较实验数据和结构 注意: 限制使用CASTEP进行几何优化计算，因为它会占用相当长的时间 。

33、Al Al 的分数坐标：的分数坐标： (0 0 0(0 0 0） (1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) (1/2 1/2 0) (1/2 0 1/2) （0 1/2 1/20 1/2 1/2）AsAs的分数坐标：的分数坐标：(3/4 3/4 3/4(3/4 3/4 3/4） (1/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 1/4) (1/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 1/4) （3/4 1/4 1/43/4 1/4 1/4）(0 0 0）(1/2 0 1/2)(1/2 1/2 0)（0 1/2 1/2）(1/4 1/4 3/4)（3/4 1/4 1/4）（1/4 3/4 1/

34、4）（3/4 3/4 3/4）As: (3/4 3/4 3/4）= (1/4 1/4 1/4） 1. 1. 构建构建AlAsAlAs的晶体结构的晶体结构 空间群是空间群是F-43m 为了构建晶体结构，我们需要知道你想要构建的晶体的空间群信息，晶格参数以及它的内部坐标。以AlAs为例，它的空间群是F-43m或空间群数字是216。它有两种基本元素Al和As ，其分数坐标分别为（0 0 0）和（0.25 0.25 0.25）。它的晶格参数为5.6622埃。 第一步是构建晶格。在Project explorer的跟目录上右键单击，选中New | 3D Atomistic Document。接着在3D

35、Atomistic Document右键单击，把它更名为AlAs。 从菜单中选择Build | Crystals | Build Crystal，然后显示出Build Crystal对话框，如下： 在在Enter groupEnter group中选择中选择F-43mF-43m或在或在Enter groupEnter group中单击，然后键入中单击，然后键入216216，再，再按下按下TABTAB键键.( .(空间群信息框中的信息也随空间群信息框中的信息也随着着F-43mF-43m空间群的信息而发生变化空间群的信息而发生变化 ) ) 选择选择Lattice ParametersLattice

36、 Parameters标签，把标签，把a a的数值从的数值从10.0010.00改改为为5.6625.662。单击。单击BuildBuild按钮。按钮。 一个没有原子的晶格就在一个没有原子的晶格就在3D model document3D model document中显示中显示出来。出来。单击此图标，然后单击此图标，然后可旋转晶格，显示可旋转晶格，显示其立体结构。其立体结构。从菜单栏中选择Build | Add Atoms。通过它，我们可以把原子添加到指定的位置，其对话框如下： 在在Add AtomsAdd Atoms对话框中选择对话框中选择OptionsOptions标签，确定标签，确定Co

37、ordinate systemCoordinate system为为FractionalFractional。如上所示。选择。如上所示。选择AtomsAtoms标签，在标签，在ElementElement文本框中键入文本框中键入AlAl，然后按下，然后按下AddAdd按钮，铝原子就添加到结构中了。按钮，铝原子就添加到结构中了。 单击此图标，出现添加原子单击此图标，出现添加原子Add Atoms Add Atoms 对话框。选择原对话框。选择原子名称，输入分数坐标，按子名称，输入分数坐标，按AddAdd，则原子添加到晶体结构图中。，则原子添加到晶体结构图中。重复操作，直到添加完晶胞中的所有原子。

38、关闭重复操作，直到添加完晶胞中的所有原子。关闭Add AtomsAdd Atoms框。框。 在Element文本框中键入As。在a, b, c文本框中键入0.25。按Add按钮。关闭对话框。 原子添加完毕，我们再使用对称操作工具来构建晶体结构当中剩余的原子。这些原子也显示在邻近的单胞中。当然，我们也可以通过重新建造晶体结构来移去这些原子。 从菜单栏中选择Build | Crystals | Rebuild Crystal.，按下Rebuild按钮。在显示出的晶体结构中那些原子就被移走了。我们可以把显示方式变为Ball and Stick。 在模型文档中右键单击，选择Display Styles

39、，按下Ball and stick按钮。关闭对话框。 在3D视窗中的晶体结构是晶胞，它显示的是格子的立方对称。如果存在的话，CASTEP使用的则是格子的全部对称。 既包含有两个原子的原胞和包含有8个原子的晶胞是相对应的.不论单胞如何定义，电荷密度，键长，每一类原子的总体能量都是一样的，并且由于使用了较少的原子 ,使计算时间得以减少。 在晶体图上按右键，选在晶体图上按右键，选Display StyleDisplay Style，然后选，然后选Ball and stickBall and stick。AlAs晶胞显示为晶胞显示为 在晶体图上按右键，选在晶体图上按右键，选LabelLabel，在出现

40、的对话框中选，在出现的对话框中选ElementSymbolElementSymbol。 按按applyapply，晶胞上显示元素符，晶胞上显示元素符合。合。 从菜单栏中选择从菜单栏中选择Build | Symmetry | Primitive CellBuild | Symmetry | Primitive Cell。在模型文档中显示如下：在模型文档中显示如下： AlAsAlAs的原胞的原胞 2 2设置和运行设置和运行CASTEPCASTEP中的计算中的计算 从工具栏中选择从工具栏中选择CASTEP CASTEP 工具，再工具，再选择选择CalculationCalculation或从菜单栏中

41、选择或从菜单栏中选择Modules | CModules | CASTEP |CalculationASTEP |Calculation。CASTEP CalculationCASTEP Calculation对对话框如下：话框如下： 下面我们将要优化它的几何结构。下面我们将要优化它的几何结构。 把把TaskTask改为改为Geometry Optimization Geometry Optimization ，把把QualityQuality改为改为coarsecoarse。优化当中的默认设置是优化当中的默认设置是优化原子坐标优化原子坐标. .尽管如此尽管如此, ,在本例中我们不仅要优在本例

42、中我们不仅要优化原子坐标也要优化晶格化原子坐标也要优化晶格. . 按下按下TaskTask右侧的右侧的More.More.按钮，按钮， 选中选中Optimize CellOptimize Cell。关闭关闭对话框对话框. .当我们改变当我们改变QualityQuality时时, ,其他的参数也会有所改变来反映其他的参数也会有所改变来反映QualityQuality的改变。的改变。 选择选择PropertiesProperties标签，可从中指定我们想要标签，可从中指定我们想要计算的属性。选中计算的属性。选中Band structureBand structure和和Density of stD

43、ensity of statesates。另外，我们也可以具体指明。另外，我们也可以具体指明job controljob control选选项，例如实时更新等。项，例如实时更新等。 选择选择Job ControlJob Control标签，选中标签，选中More.More.按钮。在按钮。在CASTEP Job Control OptionsCASTEP Job Control Options对话框中，把对话框中，把UpdUpdateate 的时间间隔改为的时间间隔改为3030秒。关闭对话框。秒。关闭对话框。 按下按下RunRun按钮，关闭对话框。按钮，关闭对话框。 几秒钟之后，在几秒钟之后，在

44、Project ExplorerProject Explorer中出现一个新的文件，它包含所有的运行结果。一中出现一个新的文件，它包含所有的运行结果。一个工作日志窗口也会出现，它包含工作的运行个工作日志窗口也会出现，它包含工作的运行态。我们也可以从态。我们也可以从Job ExplorerJob Explorer中得到工中得到工作运行状况的信息。作运行状况的信息。计算结束后出现下面提示，表示计算成功。计算结束后出现下面提示，表示计算成功。此输出文本文档为此输出文本文档为AlAs.castepAlAs.castep，包含优化信息。，包含优化信息。从菜单栏中选择从菜单栏中选择View | Explo

45、rers | Job ExplorerView | Explorers | Job Explorer。 Job ExplorerJob Explorer中所显示的是与此项目相关联的当正在运行的工作的状态。它所显示的有用信息有服务器中所显示的是与此项目相关联的当正在运行的工作的状态。它所显示的有用信息有服务器和工作识别数字。如果需要的话，我们也可以通过和工作识别数字。如果需要的话，我们也可以通过Job ExplorerJob Explorer来终止当前工作的运行。来终止当前工作的运行。 在工作运行中，会有四个文档打开，它们分程传递关于工作状态的信息。这些文档包括显示在优化过在工作运行中，会有四个

46、文档打开，它们分程传递关于工作状态的信息。这些文档包括显示在优化过程中模型更新时的晶体结构，传递工作设置参数信息和运行信息的状态文档，总体能量图和能量，力程中模型更新时的晶体结构，传递工作设置参数信息和运行信息的状态文档，总体能量图和能量，力, , 应应力的收敛以及起重复数作用的位移。力的收敛以及起重复数作用的位移。 工作结束时，这些文件反还给用户。但是由于某个文件可能很大，也许要耗费教长的时间。工作结束时，这些文件反还给用户。但是由于某个文件可能很大，也许要耗费教长的时间。当我们得到结果是，可能包含数个文档，它们有：当我们得到结果是，可能包含数个文档，它们有：(1) AlAs.xsd(1)

47、AlAs.xsd最终优化结构。最终优化结构。 (2) AlAs Trajectory.xtd(2) AlAs Trajectory.xtd轨线文件，包含每一个优化步骤后的轨线文件，包含每一个优化步骤后的结构。结构。 (3) AlAs.castep(3) AlAs.castep 一个输出文本文档，包含优化信息。一个输出文本文档，包含优化信息。(4) AlAs.param(4) AlAs.param 输入模拟信息。输入模拟信息。 对于任一个属性的计算，都会包含有对于任一个属性的计算，都会包含有* *.param.param和和* *.castep.castep文档。文档。 3 3、分析结果、分析结

48、果 运算完毕后，输出结果如下：其中，运算完毕后，输出结果如下：其中，第四行的文档为第四行的文档为AlAs.xsdAlAs.xsd既最终的优化既最终的优化结构，第九行为结构，第九行为AlAs.paramAlAs.param文档，第十文档，第十行为行为AlAs.castepAlAs.castep文档。文档。 在在Project ExplorerProject Explorer中，单击中，单击AlAs.castepAlAs.castep把它击活把它击活. .在菜单栏中选择在菜单栏中选择Edit | Find.Edit | Find.，在文本框中键入，在文本框中键入convergedconverged

49、。按下。按下Find NextFind Next按钮。重复按钮。重复按下按下Find NextFind Next按钮，直到完成搜索文件按钮，直到完成搜索文件的对话框出现。在的对话框出现。在FindFind对话框中，按下对话框中，按下OkOk和和CancelCancel按钮。按钮。 4 4比较实验数据和结构比较实验数据和结构 从我们最初创建的结构单元可以得知，晶格长度应为5.662埃。所以我们可以比较最小化后的晶格长度和初始时的实验长度。而根据实验得到的实验长度是基于常规的单元，而非原胞。所以我们需要我们所创建的单元。 双击双击AlAs.xsdAlAs.xsd文件，把它击活。从菜单栏中选择文件，

50、把它击活。从菜单栏中选择Build | Symmetry | Build | Symmetry | Conventional CellConventional Cell。 在屏幕上显示出常规的单元。有数种方法可以观测出晶格常数，但最简单的在屏幕上显示出常规的单元。有数种方法可以观测出晶格常数，但最简单的方法是打开方法是打开Lattice ParametersLattice Parameters对话框。对话框。 在模型文档单击右键，选择在模型文档单击右键，选择Lattice ParametersLattice Parameters。 其点阵矢量大约为其点阵矢量大约为5.6295.629，误差为，