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CASTEP

密度汎関数理論(DFT)に基づいたab initio（第一原理）量子力学プログラム

セラミックス、半導体、金属、界面および表面の性質を計算します。系の原子の数とタイプから、格子定数、分子の幾何構造、弾性定数、バンド構造、状態密度等の性質予測も可能。CASTEPの活用で、高額な実験の節約や開発サイクルの短縮なども望めます。

CASTEPは、第一原理計算を利用することで、実験に基づいたパラメータを入力することなく、系の電子、光学、および構造の特性に関する本質と起源を調べることができます。経験パラメータや、実験データに乏しい固体物理学、物質科学、および化学工学の分野で起こる課題の研究に非常に適しています。

CASTEP では、物質の構造や多くの基本特性を予測することができます。特に、電子特性（バンド ギャップやショットキー障壁など）、光学特性（フォノン分散曲線、分極率、誘電率など）、または物理特性（弾性定数など）を予測することができます。insilicoで新しい物質を速く正確に設計するために、すべてを1つのツールにまとめています。主要機能の一つとして遷移状態の探索アルゴリズムがあります。このアルゴリズムを利用すると、反応の理解に必要な反応プロファイルおよびエネルギー障壁の決定に大いに役立ちます。

周期的構造に対して、弾性係数の6x6のフルテンソルを予測

• 最近のフォノン振動の計算性能向上により、物質の自由エネルギーや熱容量など、熱力学特性の予測が可能になりました。
• 固体系の熱力学的な予測能力により、構造的変化の相安定性など、多くの擬縮物質特性のシミュレーションを実行できます。

格子定数、分子構造、弾性定数、バンド構造、状態密度、電荷密度と波動関数、光学特性などの特性を予測

• 全エネルギー擬ポテンシャル法に基づいて、系に含まれる原子の数と種類を入力するだけで、格子定数、分子構造、弾性定数、バンド構造、状態密度、電荷密度と波動関数、光学特性などの特性を予測。
• CASTEPの基本となる擬ポテンシャル平面波法は非常に有効であり、毎年出版される何百もの科学的刊行物に、コードを用いた新しい研究成果が掲載されます。このコードの並列版は、数百原子からなる大規模系でも有効です。

磁気共鳴特性を第一原理に基づいて予測するNMR解析プログラム　NMR CASTEP（オプション）はこちら

CASTEPの適用分野

• 界面化学
• 物理吸着と化学吸着
• 不均一触媒作用
• 半導体の欠陥
• 粒界
• 積層欠陥
• ナノテクノロジー
• 分子結晶
• 多形研究
• 拡散構造
• 液体の分子力学　など

CASTEPの主な機能

• スピン分極を含めたLDA/GGA計算
• 分子構造、格子定数の最適化
• 全エネルギー、力とストレスの計算
• 幾何構造の緩和内部と外部拘束の有無
• NVEとNVTを使ったMDとLangevin Dynamics
• UV/VISスペクトラ、誘電率
• Mulliken populationと電荷分析
• 結合次数の分析
• 波動関数、電子密度の表示
• バンド構造、状態密度表示

CASTEPの詳細機能

計算処理

• 合計エネルギ、力、および圧力
• 構造最適化（単位セル パラメータなど）
• NVE、NVT、NPH、およびNPT集団を使用する分子力学
• 線形および二次的同期トランジット法(LST/QST)に基づいた遷移状態探索
• 弾性定数
• 有限差分あるいは線形応答に基づいたフォノン振動数

一般的な機能

• 交換相関相互作用を近似するlocal、gradientcorrected、およびscreened-exchange functionalの選択
• 周期表全体に対するウルトラ ソフトおよびノルム保存（型）擬ポテンシャル

ジョブ制御オプション

• 計算効率を最適化する並列化方式の選択
• CPU数の選択
• サーバの指定
• 出力監視とステータス レポート（構造の最適化を行う際のエネルギーと傾きのテキストまたはグラフなど）
• モデルの構造とジョブのステータスをリアルタイムで更新
• Materials Visualizerからリモートサーバのジョブを中止

特性

• 光学特性：周波数依存の誘電関数分極率、反射率、屈折率、UVスペクトルなど
• IRスペクトル
• 原子および結合のMulliken population 分析
• 静的弾性定数
• フォノン分散
• バンド構造
• 全体および局所フォノン状態密度
• 準調和近似に基づいた熱力学特性（自由エネルギ、
• エンタルピー、エントロピー、熱容量、Debye温度）

MS Visualizerを使用したグラフ表示

• 電荷、スピン、および変形密度
• 三次元等高線および二次元スライス
• シミュレートした走査型トンネル顕微鏡(STM)イメージ
• 特性マップによる複数のプロットとカラー面のオーバーレイ

その他のオプション

• 実空間または逆格子空間の擬ポテンシャル表現
• 空間群の対称性の完全使用
• SCF収束のDIIS、density mixing、smearing、収束を速めるための複数のオプション

バンド計算への活用事例

ポリマー絶縁体における電子トラップ

「・・・ポリエチレンに類似した電子バンド構造を有するより短いオリゴマーがシミュレーションに用いられます。・・・こうしたトラップはバンドギャップを有意に狭めるのでより有害である可能性があります・・・」

ユーメラニンの新しい構造に基づくスペクトルシミュレーション

「・・・オリゴマのスペクトル計算では、かなり離散した光学バンドが得られます・・・」

カーボンおよび窒化ホウ素ナノチューブの理解

「・・・チューブ直径やキラリティーに依存しない一定バンドギャップを持ちえることから・・・」

希土類，遷移金属および混合金属酸化物の脱NOx および脱SOx 活性: 軌道-バンド相互作用の研究による改良触媒の系統的設計

「・・・特に、酸化物表面の反応性についてのバンド-軌道の相互作用の重要性が明らかになり、混合酸化物およびドーピングされた酸化物の電子物性と化学物性の相関関係が確立されました。これによって、純粋な酸化物の化学活性の変性や制御のためのコンセプトの枠組みを与える、バンド-軌道の混合をベースにした簡単なモデルを用いた方法や、混合金属酸化物の技術改良にむけての道を開くことが出来ました。・・・」

シリコンナノドットの構造およびオプトエレクトロニクス特性の酸素制御

「・・・新しい電子状態が、二酸化ケイ素のバンドギャップに生じる・・・」

炭素および窒化ホウ素ナノチューブの物性の理解

「・・・耐熱性が高く、チューブの直径やカキラリティと関係なくバンドギャップが一定であるため、カーボン ナノチューブの性能よりも高い性能をもつ可能性があります・・・」