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souledge

专家顾问 (著名写手)

[资源] 建立石墨烯（Graphene）的模型

现在石墨烯很火，虽然本人不是做这个方向的，但是偶尔也尝试下。
但是惊奇的发现，一个建模问题居然难倒了N多人，还讨论来讨论去的，实在有点无语，事实上，只要对晶体学的知识比较熟悉，自己画那么一层六方框框出来，然后把六方坐标轴在六方晶系常作原点的地方试几下，这个问题就解决了。
好吧，我不得不多说一句，晶体学是建模的基本功，虽然Materials Studio或者其他工具可以让建模变得轻松惬意，但是没有这些基础的知识，谁也无法保证建出来的模型是中看还中用的～
直接说建模的结论了，石墨烯中的碳原子位置是与六方二硼化钛中的硼原子完全等价的。
在PWscf中建模时（也包括其他所有的第一性原理软件输入文件），只能针对14种布拉菲格子的原胞基矢来建立，而空间群的对称性都是再软件计算时进行分析的。
所以，如果写为某空间群形式，石墨烯中等价位置其实只有一个，但是作为一个原胞，就必须是两个，因为对称性没有空间群中那么完善，需要自己补充。
所以首先建立六方的坐标：

CODE:

ibrav = 4,

celldm(1) = a*sqrt(3),

celldm(3) = N,

其中a是石墨烯中两个相邻碳原子的距离，N可以设置的足够大。
而如果手动指定基矢，则是：

CODE:

ibrav = 0,

celldm(1) = a*sqrt(3),

CELL_PARAMETERS cubic

1.0  0.0  0.0

-0.5  sqrt(3)/2  0

0.0  0.0  N

第二个方法适用于所有的第一性原理软件输入文件建模。
然后是原子位置：

CODE:

ATOMIC_POSITIONS crystal

  C  2/3  1/3  1/2

  C  1/3  2/3  1/2

把C放再Z轴中间是为了在可视化软件中易于观察和调节角度（当然，Z轴位置在哪里都是同样的计算结果）。
如此，就可以得到简单的石墨烯原胞模型：

不放心可以看沿X和Y轴方向扩展的结构：

扩展一下，如果是Abinit，可以建模为：

CODE:

acell  2*a*sqrt(3)  N

rprim

1.0  0.0  0.0

-0.5  sqrt(3)/2  0

0.0  0.0  1.0

natom  2

ntypat  2

znucl  6

typat  1  1

xred

  1/3  2/3  1/2

  2/3  1/3  1/2

而ELK，则可以是:

CODE:

scale

  a*sqrt(3)

avec

  1.0  0.0  0.0

  -0.5  sqrt(3)/2  0

   0.0  0.0  N

atoms

1

'C.in'

2

0.3333333333  0.6666666667  0.0000000000  0.0000000000  0.0000000000  0.0000000000

0.6666666667  0.3333333333  0.0000000000  0.0000000000  0.0000000000  0.0000000000

VASP的POSCAR：

CODE:

Graphene

  a*sqrt(3)

        1.0  0.0  0.0

        -0.5  sqrt(3)/2  0

         0.0  0.0  N

  2

Direct

   1/3  2/3  1/2

   2/3  1/3  1/2

最后是CASTEP的*.cell文件：

CODE:

%BLOCK LATTICE_CART

  a*sqrt(3)  0.0  0.0

  -a*sqrt(3)/2  a*3/2  0

  0.0  0.0  N

%ENDBLOCK LATTIC_CART

%BLOCK POSITIONS_FRAC

  C  1/3  2/3  1/2

  C  2/3  1/3  1/2

%ENDBLOCK POSITIONS_FRAC

注：除Abinit外，其他软件不具备计算除法和开方的功能，所以要把分数和无理数替换为有效数字稍微多一点的小数形式

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