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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

CASTEPは密度汎関数法(DFT)によるab initio量子力学計算プログラムです。セラミックス、半導体、金属 を含む広範囲な材料の固体、界面、表面の物性をシミュレートするものです。第一原理計算では、構成原子の原子番号以外には何ら実験による情報は必要なく、 系の電子的、光学的、構造的特性とその起源を探ることができます。

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。

特徴

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。

適用分野

  • 界面化学
  • 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
  • 液体の分子力学

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

詳細機能

  • CASTEP TD-DFTの機能で遷移行列の計算が行え、分子の吸収スペクトルの計算が可能
  • 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

事例発表資料

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CASTEPを活用した材料開発と材料評価の紹介 -半導体シリコン結晶,界面密着性など-
岡山県立大学 情報工学部 末岡浩治氏

CASTEPを用いたELNES理論計算の基礎と応用
東京大学 生産技術研究所 溝口照康氏

CASTEP に関連する用語

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