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Materials Studio官方教程：DFTB+——碳纳米管的几何优化

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目的：介绍基本的利用DFTB+模块计算结构和电子性质的方法。
所用模块：Materials Visualizer、DFTB+
前提条件：无
背景
DFTB+是一种基于密度泛函理论（DFT）双中心方法的半经验紧束缚方法。紧束缚方法的应用使其比普通DFT方法更快，但也使其依赖于称为Slater-Koster库的参数集合。该集合为标准有机分子和半导体提供了参数。
与基于力场的经典方法相比，量子力学方法通常能更好地处理与碳纳米管（CNT）之间的相互作用。然而，量子力学方法所能够处理的体系尺寸限制了其应用范围。DFTB+是在研究碳纳米管的经典模拟技术和量子模拟技术之间的折衷方法，具有量子力学计算精度，同时可以获得电子信息，同时可应用于标准量子力学技术无法达到的体系尺寸。
介绍
在本教程中，将使用DFTB+模块对碳纳米管进行几何优化，并计算其能带结构。
本教程包括如下部分：
  • 开始
  • 初步建立结构模型
  • 设置几何优化计算任务参数
  • 性质选择
  • 设置计算任务控制参数并运行计算
  • 结果分析
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DFTB CNT作为项目名，单击OK按钮。
新项目将以DFTB CNT为项目名显示于Project Explorer中。
2、初步建立结构模型
第一步是使用纳米结构建立工具创建一个10 × 10的碳纳米管。
从菜单栏中选择Build | Build Nanostructure | Single-Wall Nanotube，打开Build Single-Wall Nanotube对话框。将N和M设置为10，单击Build按钮。关闭Build Single-Wall Nanotube对话框。
为避免碳纳米管的周期性镜像之间的相互作用，应增加垂直于碳纳米管方向的晶胞参数。
从菜单栏中选择Build | Symmetry | Lattice Parameters，打开Lattice Parameters对话框。在Advanced选项卡中，取消勾选在改变晶格时保持分数坐标固定Keep fractional coordinates fixed during changes to the lattice复选框。在Parameters选项卡中，设置长度a和b为30，关闭对话框。
将要对碳纳米管进行几何优化，包括优化晶胞长度。为保持所设置的周期性晶格长度，需要对坐标轴加以固定。
从菜单栏中选择Modify | Constraints，打开Edit Constraints对话框。在Lattice选项卡中，勾选a、b、α、β和γ复选框，关闭对话框。
当进行计算时，晶胞长度a和b将保持固定。
3、设置几何优化计算任务参数
现在已经准备好设置DFTB+计算任务。
单击Modules工具条上的DFTB+按钮Materials Studio官方教程：DFTB+——碳纳米管的几何优化，选择Calculation，或在菜单栏中选择Modules | DFTB+ | Calculation。
将打开DFTB+ Calculation对话框。
Materials Studio官方教程：DFTB+——碳纳米管的几何优化
DFTB+ Calculation对话框的Setup选项卡
从Task下拉列表中选择Geometry Optimization。
单击More…按钮，打开DFTB+ Geometry Optimization对话框。
Materials Studio官方教程：DFTB+——碳纳米管的几何优化
DFTB+ Geometry Optimization对话框
将使用优化晶胞选项弛豫晶胞常数。由于已经固定了a和b晶格长度，Optimize cell选项将只优化c晶格长度。
单击Optimize cell复选框，关闭对话框。
为了运行DFTB+计算任务，必须选择有效的Slater Koster库。DFTB+要求在库中定义目标结构中所有可用元素之间的相互作用。单击View按钮可以显示每个库的快速概览。在本教程中，将使用CHNO库。
在DFTB+ Calculation对话框的Electronic选项卡中，从Slater Koster library下拉列表中选择CHNO库。
注意：如果要使用DFTB+计算包含任何可用参数集合都不支持的原子相互作用的结构，可以使用DFTB+参数化任务自行创建参数。这将使用DMol3执行DFT计算。
4、性质选择
除了进行几何优化之外，还可以选择在优化后的结构上计算的一系列性质。在本教程中，将计算CNT的能带结构。
在Properties选项卡中，在性质列表中勾选Band structure复选框，将k-point set设置为Fine。
由于计算一维结构的能带结构，应建立布里渊区路径，仅保留与纳米管方向一致的那条路径。
单击Path…按钮，打开Brillouin Zone path对话框，单击Create按钮，然后删除除Z to G路径之外的其他所有布里渊区路径。
注意：如果使用动力学Dynamics任务生成了轨迹文件，可以使用Forcite Trajectory Analysis功能进行进一步分析。
5、设置计算任务控制参数并运行计算
可以使用DFTB+ Calculation对话框的Job Control选项卡上的命令来对计算任务进行控制。
可以选择计算运行的网关位置，并设置各种选项，如任务描述。还可以指定实时更新参数设置和计算任务完成选项。
现在可以运行DFTB+几何优化计算任务了。
单击Run按钮并关闭对话框。
将显示一个名为Status.txt的文本文档，报告计算运行的状态。这个文档会定期更新，直到计算完成，该文档可指示计算进度。
6、结果分析
当计算任务完成时，结果将返回到Project Explorer中的SWNT DFTB+ GeomOpt文件夹。
在SWNT DFTB+ GeomOpt文件夹中，双击SWNT.txt。
SWNT.txt文件包含对计算任务和结果的概览。SWNT.dftb文件包含最后一次DFTB+计算得到的单点能输出。如果计算出现错误，该文件也可给出有用的解决方法信息。
将优化好的SWNT.xsd文件作为当前文档。
为了可视化能带结构，应对输出文档进行分析。
单击Modules工具条上的DFTB+按钮Materials Studio官方教程：DFTB+——碳纳米管的几何优化，选择Analysis，或在菜单栏中选择Modules | DFTB+ | Analysis。
打开DFTB+ Analysis对话框。
Materials Studio官方教程：DFTB+——碳纳米管的几何优化
DFTB+ Analysis对话框
选择Band structure，单击View按钮。
将创建并显示一个图表文件，示出CNT的能带结构，注意在费米能级处交叉的特征能带。
Materials Studio官方教程：DFTB+——碳纳米管的几何优化
DFTB+ Analysis视图的能带结构Band structures
本教程到此结束。

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