碳纳米管的几何优化

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

选择Calculation，或在菜单栏中选择Modules | DFTB+ | Calculation。将打开DFTB+ Calculation对话框。

从Task下拉列表中选择Geometry Optimization。

单击More...按钮，打开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。

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

选择Analysis，或在菜单栏中选择Modules | DFTB+ | Analysis。

打开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。