已有 8399 次阅读 2021-4-6 11:55 |个人分类:科研干货|系统分类:科研笔记

作者：小强

能对磁场作出某种方式反应的材料称为磁性材料。按照物质在外磁场中表现出来磁性的强弱，可将其分为抗磁性物质、顺磁性物质、铁磁性物质、反铁磁性物质和亚铁磁性物质。大多数材料是抗磁性或顺磁性的，它们对外磁场反应较弱。铁磁性物质和亚铁磁性物质是强磁性物质，通常所说的磁性材料即指强磁性材料。对于磁性材料来说，磁化曲线和磁滞回线是反映其基本磁性能的特性曲线。铁磁性材料一般是Fe，Co，Ni元素及其合金，稀土元素及其合金，以及一些Mn的化合物。Materials Studio也提供了磁性计算的方法，我们通过本教程来说一下如何通过Materials Studio的CASTEP模块进行磁性计算。

用CASTEP进行自旋极化DFT计算可以研究磁性体系。此设置推荐用于过渡金属氧化物、某些无机表面研究和含有磁性元素（铁、钴、锰、镍）的金属体系。自旋极化CASTEP计算通常在可变磁矩下进行。然而，这个过程并不能保证找到最低能量状态。DFT解可以收敛到各种局部极小值，从而找到亚稳态。最常见的解对应于高自旋态和低自旋态。CASTEP产生的状态依赖于初始磁位形，因为解很可能收敛到最近的局部极小值，而不是全局最小值。

定义初始磁位形有两种方法：一种是指定每个单元的总磁矩，它在空间上均匀分布，或者提供单胞中每个原子自旋的绝对值和方向（向上或向下）的详细信息。前一种方法可用于相对简单的系统，其中只有两种解决方案（磁性和非磁性）。后一种方法规定了系统中原子的自旋状态，更通用，也更灵活。可以建立铁磁、亚铁磁或反铁磁计算来得到不同的起始自旋排列。

用均匀分布的初始磁矩建立自旋极化计算

1. 从菜单栏中选择Modules->CASTEP->Calculation以显示CASTEP计算对话框。

2. 选择“Setup”选项卡。

3. 选中“Spin polarized”复选框，取消选中“Use formal spin as initial”复选框。

4. 指定初始自旋值。

5. 要优化自旋值，请选择“Electronic”选项卡，然后单击“More...”按钮访问“CASTEP Electronic Options”对话框。

6. 选择“SCF”选项卡。

7. 取消选中“Fix occupancy”复选框，并选中“Optimize total spin”复选框。

用原子矩的特定次序建立自旋极化计算

注：只有当密度混合方案用于电子结构最小化时，CASTEP才能正确处理原子上的初始磁矩。

1. 设置原子的正式自旋。

2. 在设置正式自旋之后，找到并施加体系的对称性。

3. 从菜单栏中选择Modules->CASTEP->Calculation，以显示CASTEP计算对话框。

4. 选择“Setup”选项卡。

5. 检查“Spin polarized”，并选中“Use formal spin as initial”复选框。

6. 选择“Electronic”选项卡，然后单击“More...”按钮访问“CASTEP Electronic Options”对话框。

7. 选择“SCF”选项卡。

8. 选择“Density mixing”作为电子最小化设置。

9. 取消选中“Fix occupancy”复选框，并选中“Optimize total spin”复选框。

在优化自旋态时，包含足够数量的空带是很重要的。默认的空带数为4，这意味着自旋值的最大值为8。如果CASTEP发现的实际最小值对应于高自旋状态，那么从低自旋状态开始的计算将非常缓慢（尽管当计算从高自旋开始并收敛到低自旋时，情况并非如此）。

注：如果空带数不足以容纳高自旋态，CASTEP可能无法收敛SCF，特别是在使用可变占有数（金属系统）的计算中。

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