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1.1量子力学方法
1.1.1 CASTEP
CASTEP由Cambridge大学Mike Payne教授发布，采用密度泛函理论、平面波赝势法（用平面波描述外层价电子，内层电子用赝势代替），进行第一性原理量子力学计算的程序。其中总能量包含动能、静电能和交换关联能三部分，各部分能量都可以表示成密度的函数。电子与电子相互作用的交换和相关效应采用局域密度近似（LDA）或广义密度近似（GGA），静电势只考虑作用在系统价电子的有效势（即赝势：Ultrasoft 或norm-conserving），电子波函数用平面波基组扩展（基组数由Ecut-off确定），电子状态方程采用数值求解（积分点数由FFT mesh确定），电子气的密度由分子轨道波函数构造，分子轨道波函数采用原子轨道的线性组合(LCAO)构成。计算总能量采用SCF迭代。CASTEP在计算分子、固体、表面、界面、掺杂、错位等方面非常有优势。
主要功能及特性：
 支持 PBE、PBE0、HSE03、HSE06以及SCAN meta-GGA 等交换关联泛函；
 能量计算：形成能、吸附能、缺陷形成能、内聚能、表面能等；
 结构优化：力与应力的计算、几何驰豫（原子坐标、晶胞参数、键长、键角、）等；
 过渡态：过渡态搜索等；
 电子结构：能带、态密度（局域、分波）、声子谱、电荷密度、差分电荷密度、电子局域函数、电子轨道、扫描隧道显微镜STM模拟、共价键级、静电势（支持可视化）、静电荷（Mulliken、Hirshfeld）、功函数、自旋极化（共线、非共线）、支持旋轨耦合、费米面、支持利用On-the-fly 生成模守恒（normconserving）赝势，特别适用于计算磁性材料和包含f电子的元素；
 介电性质：波恩有效电荷、静态介电常数张量、极化率张量；
 力学性质：弹性力常数张量，体模量，剪切模量，杨氏模量，泊松比；热力学性质：声子态密度、色散谱、熵、焓、自由能、零点能、德拜温度、等容热容随温度的变化曲线；
 光学性质：红外光谱、拉曼光谱5.0、核磁共振谱（NMR CASTEP，可用DFT+U）、电子能量损失谱4.4（旋轨耦合效应5.5）、X射线吸收谱4.4（旋轨耦合效应5.5）、光频介电常数虚（实）部、吸收系数、折射率、能量损失函数、光导率虚（实）部；
 动力学计算：支持NVE、NVT、NPT以及NPH等系综，以及多种控温控压函数；