结构建模
# 结构建模
# 介绍
结构建模常用工具：
- pymatgen (opens new window)
- ASE (opens new window)
- atomsk：Atomsk - GitHub (opens new window)、Atomsk 官网 (opens new window)
- latgen (opens new window)
- PyXtal (opens new window)
- Material Studio（Win + Linux）
构型可视化工具：
VESTA 相关：
- 当 POSCAR 中的原子坐标有负值时，可使用 VESTA 导出使其变为正。
- 无法读取
.poscar格式构型文件（Materials Project），OVITO 可以，建议将其统一为.vasp
# 构型文件格式
.pdb：Protein Data Bank，可以用 VMD 软件（Win、Linux、macOS 版本都有）打开.xsd：Material Studio 构型文件格式.cell：CASTEP 的输入构型文件格式.cif：部分该格式文件晶体学信息很全
注：
- xyz 文件格式通过 ase 读取，其 pbc 为 false，且无晶格参数信息；posconv 转换成 xyz 文件格式会附加晶格参数信息
# 结构建模
# 复杂 Bulk 结构
方法 1：在文献中查找该结构的晶体学信息，若提到 protype structure（原型结构），可以在数据库（ICSD、mp、aflow、Springer Materials 等）中找对应原型结构的 cif 文件（需留意 Wyckoff position 是否一致或接近），再将晶格常数和原子种类进行替换，替换为要构建结构的信息
- Springer Materials：https://materials.springer.com/ (opens new window)
方法 2: 手动构建（对于复杂 Bulk 构型），需要以下晶体学信息
- 晶体结构（crystal structure）
- 点阵参数 （lattice parameter）
- 空间群（space group number）
- 原子位置（Wyckoff position / atomic position）
元素周期表里元素的晶体结构：Periodic table (crystal structure) - Wikipedia (opens new window)
# 界面/异质结
Materials Studio 入门到精通【16】简单界面模型的建立 - 知乎 (opens new window)
如何采用Materials Studio切晶面和建立界面模型_哔哩哔哩_bilibili (opens new window)
在 latgen、VASPKIT 和 MS 中，称为 build layer
VASPKIT 804 选项，会根据用户输入的错配度要求生成满足条件的系列界面构型 POSCAR 文件，并输出 log 信息
# 晶界
任意CSL值晶界建模(一) (opens new window)、任意CSL值晶界建模(二) (opens new window)
aimsgb 程序：aimsgb documentation (opens new window)、aimsgb - GitHub (opens new window)
Aimsgb: An algorithm and open-source python library to generate periodic grain boundary structures: https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.08.029 (opens new window)
CSL 重合位置点阵理论
tilted grain boundaries 晶界面平行于旋转轴
twisted grain boundary 晶界面垂直于旋转轴
根据特定晶界构建
寻找晶界
# 碳纳米管
Atomsk - Tutorial - Graphene and Nanotubes (opens new window)
# 石墨烯
Atomsk - Tutorial - Graphene and Nanotubes (opens new window)
二维；六方结构；最近邻原子间距约为 1.42 埃
注：
- 对于六方结构，其中的原子位置坐标随基矢的选择会有些许不同，但本质一样都是一样的；
- 基矢以逆时针为正方向；
- C 的 ENMAX 为 400（所有元素中最大，所以 pymatgen 中 ENCUT 的默认设置为 520）。
CASTRO NETO A H, GUINEA F, PERES N M R, 等, 2009. The electronic properties of graphene[J/OL]. Reviews of Modern Physics, 81(1): 109-162. DOI:10.1103/RevModPhys.81.109.
石墨烯 POSCAR 文件
graphene hexagonal
1.0
2.4680000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000
-1.2340000000000000 2.1373506965399902 0.0000000000000000
0.0000000000000000 0.0000000000000000 15.0000000000000000
C
2
direct
0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 C
0.3333333333333349 0.6666666666666697 0.0000000000000000 C
graphene orthogonal
1.0
4.2747013930799902 0.0000000000000000 0.0000000000000000
0.0000000000000000 2.4680000000000000 0.0000000000000000
0.0000000000000000 0.0000000000000000 15.0000000000000000
C
4
direct
0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 C
0.3333333333333333 0.0000000000000000 0.0000000000000000 C
0.5000000000000000 0.5000000000000000 0.0000000000000000 C
0.8333333333333333 0.5000000000000000 0.0000000000000000 C
# 石墨
六方结构；z 轴方向长度约为 6.7 埃
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385469-8.00002-2.
石墨 POSCAR 文件
graphite
1.0
2.4638000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000
-1.2319000000000000 2.1337133898440999 0.0000000000000000
0.0000000000000000 0.0000000000000000 6.6959999999999997
C
4
direct
0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 C
0.3333333333333334 0.6666666666666667 0.0000000000000000 C
0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.5000000000000000 C
0.6666666666666666 0.3333333333333334 0.5000000000000000 C
# 晶体学相关
晶体结构标注：空间群符号、Pearson 符号、典型晶体结构类型（Strukturbericht designation 或 Strukturbericht type）
典型晶体结构类型 - 维基百科，自由的百科全书 (opens new window)
二维晶体：10 种点群，17 种空间群（墙纸群 (wallpaper group)）
[ ] 了解 aflow prototype 中的 primitive vectors 的公式及其含义，及如何实现 unit 与 primitive 互相转变的
[ ] D019 结构（Ti3Al）原子位点，mp 与 latgen 两者有区别（和 hcp 类似的问题）
α2 相晶体学信息：晶体结构：D019；空间群：P63/mmc 有序 B2/β 相晶体学信息：空间群：Pm-3m(3 的上面有横线) CsCl 原型结构 O 相晶体学信息：晶体结构：三元有序 orthorhombic；空间群：Cmcm, oC16
结构原型百科全书：aflow.org/prototype-encyclopedia/ (opens new window)
常见结构的空间群符号：
| 结构 | 空间群符号 | 空间群 number |
|---|---|---|
| 金刚石 | Fd-3m | 227 |
| FCC | Fm-3m | 225 |
| BCC | Im-3m | 229 |
| HCP | P6_3/mmc | 194 |
| 岩盐 (rocksalt NaCl) | Fm-3m | |
| 立方钙钛矿 (perovskite CaTiO3) | Pm-3m | |
| CsCl | Pm-3m |
一些结构的 prototype
| Prototype | Strukturbericht designation | Pearson symbol | Space group number | Space group symbol |
|---|---|---|---|---|
| W | A2 | cI2 | 229 | Im-3m |
BCC：jAFLOW Prototype: A_cI2_229_a (opens new window)
FCC：AFLOW Prototype: A_cF4_225_a (opens new window)
HCP：AFLOW Prototype: A_hP2_194_c (opens new window)
$\beta$ -Sn：AFLOW Prototype: A_tI4_141_a (opens new window)
Cr5B3：AFLOW Prototype: A3B5_tI32_140_ah_cl (opens new window)
Mn5Si3：AFLOW Prototype: A5B3_hP16_193_dg_g (opens new window)
BCC
$$ \begin{align} \mathbf{a_1}& = -\frac{1}{2}\mathbf{x} + \frac{1}{2}\mathbf{y} + \frac{1}{2}\mathbf{z}\
\mathbf{a_2}& = \frac{1}{2}a\mathbf{x} - \frac{1}{2}a\mathbf{y} + \frac{1}{2}a\mathbf{z}\
\mathbf{a_3}& = \frac{1}{2}a\mathbf{x} + \frac{1}{2}a\mathbf{y} - \frac{1}{2}a\mathbf{z}
\end{align} $$
FCC
$$ \begin{align} \mathbf{a_1}& = \frac{1}{2}a\mathbf{y} + \frac{1}{2}a\mathbf{z} \
\mathbf{a_2}& = \frac{1}{2}a\mathbf{x} + \frac{1}{2}a\mathbf{z} \
\mathbf{a_3}& = \frac{1}{2}a\mathbf{x} + \frac{1}{2}a\mathbf{y} \ \end{align}
$$
HCP
$$ \begin{align} \mathbf{a_1}& = \frac{1}{2}a\mathbf{y} - \frac{\sqrt{3}}{2}a\mathbf{z}\
\mathbf{a_2}& = \frac{1}{2}a\mathbf{y} + \frac{\sqrt{3}}{2}a\mathbf{z}\
\mathbf{a_3}& = c\mathbf{z}\ \end{align} $$
结构可视化
- MoS2：Molybdenum Disulfide - MoS2 (opens new window)
- 金刚石、石墨、C60、碳纳米管：Introductory Structures Allotropes of Carbon (Diamond and Graphite) and Pentacene (opens new window)
- hcp：Hexagonal close packing - hcp: Interactive 3D Structure (opens new window)
- perovskite：CaTiO3 - Perovskite: Interactive 3D Structure (opens new window)
hcp 结构原胞原子坐标有两种形式：
- 一个原子在原点，另一个在胞内：latgen 和 ase，(0.0 0.0 0.0) (2/3 1/3 0.5)
- 两个原子均在胞内：pymatgen 和 pyxtal，(1/3 2/3 1/4) (2/3 1/3 3/4)
- 两种形式无本质区别，两者可通过过周期性平移进行互相转化
- Hexagonal close packing - hcp: Interactive 3D Structure (opens new window) 有这两种形式的可视化
# 其他
钙钛矿、半导体、绝缘体的点缺陷比金属或金属间化合物的点缺陷要复杂很多