能带态密度计算

要得到准确的材料性质，我们首先需要得到一个优化稳定的结构。本节中，我们以N、Fe原子共掺杂的缺陷石墨烯结构为例展示Dmol3计算材料的能带结构和态密度电子性质。计算详细细节如上节。

在得到FeN4-Gr稳定结构（如下图）之后，直接在FeN4-Gr Dmol3 GeomOpt文件夹中双击FeN4-Gr.xsd文件，打开Dmol3 Calculation，将Setup中的Task改为Energy，其他参数设置不变。然后勾选Properties中的Band structure并点击Path…设置布里渊区路径Brillouin zone path。

对于二维石墨烯结构，其布里渊区的高对称点为Γ=（0 0 0）、M=（0 0.5 0）、K=（-0.333 0.667 0），如下图中的Γ→ M→ K→ Γ路径。Dmol3中设置为G(0 0 0) →F(0 0.5 0) →K(-0.333 0.667 0) →G(0 0 0)。然后在Job Control中点击Run开始运行。

（注意：对于需要得到精准能带结构的体系，在计算能带结构时一般使用HSE06杂化泛函，不用PBE泛函，但是Dmol3中没有HSE06杂化泛函，在CASTEP中有HSE06）

由于计算材料电子性质时，只是进行单点能计算，没有结构优化，所以计算结果会比较快，一般几分钟就可得到结果。下面我们来分析结果。点击DMOL3中的Analysis，如下图所示。

出现如下图，点击Band structure，然后点击View，出现下图右边的能带结构图。

能带图的纵坐标为能量，其中在能量为0 eV时表示为费米能级。在0 eV能量以下表示价带，在0 eV能量以上表示导带。在价带的最高能量位置与导带的最低能量位置之间为能带带隙（Band gap）。当价带的最高能量与导带的最低能量在同一位置时，说明此材料具有直接带隙；当价带的最高能量与导带的最低能量不在同一位置时，说明此材料具有间接带隙。图中顶部也给出了具体的能带带隙值为0.46 eV，为间接带隙。

此能带结果的数据可以直接在MS可视化界面上右键复制，然后粘贴到Excel或者Origin中作图。

接下来，我们计算FeN4-Gr结构的态密度性质。前面的设置同上，只是在勾选Properties中的Density of states同时勾选上下面的Calculate PDOS，然后点击More…设置Monkhorst-Pack grid中k点密度为9×9×1。然后在Job Control中点击Run开始运行。计算结果也很快出来了。

下面我们分析计算的态密度结果。同样点击DMOL3中的Analysis，选择Density of states，将Energy units改为eV，接着可以选择Full DOS，也可以选择Partial和后面的具体分轨道的态密度。

在Display DOS中也可以选择不同的形式，有总的态密度Total、Alpha、Beta、Alpha and Beta、Spin、Total and Spin。点击More…可以设置态密度的峰平滑程度以及峰的精细程度。

这里我们Smearing with设置为0.05 eV，点数设置为1000。然后点击View即可出现选择的态密度图。如下图所示，上半部分是FeN4-Gr结构的PDOS，下半部分是其总的DOS。横坐标是能量，纵坐标是态密度。其中黑色虚线表示费米能级的位置。

对于PDOS，其中的各种颜色的线分别表示不同轨道的态密度。同时我们也可以根据此方式来分析具体原子的态密度。例如，我们分析Fe原子的态密度。首先在FeN4-Gr结构上选中Fe原子，然后点击dmol3中的Analysis，选择Density of states进行DOS或者PDOS的分析。态密度的数据也可以直接在MS可视化界面上右键复制，然后粘贴到Excel或者Origin中作图。