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adf:ft-irofdftb

从分子动力学轨迹生成红外谱FT-IR

基于AMS的分子动力学,可以采用ReaxFF、机器学习力场、GFNFF,也可以采用DFTB或者BAND(即DFT)进行。参数设置方面,除了各个计算引擎本身的参数设置外,其他参数设置、结果分析方法是完全一样的。

本文以DFTB为例,进行演示。为了更明显的展示其中包含的倍频效应,我们采用了双原子分子HCl。因为双原子分子采用常规的谐振近似计算IR谱,将会只有一个峰。

更详细的介绍,请参考英文视频(含字幕):https://www.bilibili.com/video/BV1uo4y1M7r2

标准谐振IR谱基频计算

改作业优化并计算IR。后面我们采用完全相同的参数(GFN1-xTB)进行分子动力学计算,便于对比FT-IR的结果与常规谐振近似的结果。保存并运行作业完毕后,SCM → Spectra查看IR谱:

可以看到只有一个峰,位于2828cm$^{-1}$

基于分子动力学的FT-IR计算

参数设置

分子动力学参数如下: 需要注意:

  • 步长足够长,前面能量不稳定的部分时间段,例如前3000步,在分析的时候是不使用的(当然对本例而言,体系非常简单,实际上能量从开始就很稳定的振荡,从100步后开始分析也是可以的)
  • 步长不能太长
  • 保存轨迹的频率必须为1
  • 因为只有一个分子,如果分子本身处于平衡位置,则热振动很难激发,因此我们将H-Cl键长缩短,原子初始速度设置为0,这样有了一个初始的弹力而产生初始振动
  • 不设置任何限制条件,例如动量守恒、角动量守恒、质心守恒,让轨迹真正连续、干净,使用NVE系综也是为了这个目的,因为NVT、NPT系综都会在一定步数之后对体系进行调整,以使得体系不偏离系综条件,导致轨迹实际上不纯净

保存作业,并运行完成。

结果分析

作业运行完毕后,SCM → Movie → MD Properties → Autocorrelation Function:

其中

  • 前3000帧的数据丢弃不用,因此采用3000到30000步之间的数据
  • Max ACF Frame一般建议设置到10000,或步数的一半(对本例一半是之27000/2)

Generate ACF后将生成很多曲线,可以删除,只保留如下图所示的曲线窗口:

局部放大,可以看到,基频数值有所变化,而且出现了倍频现象:

不过高倍频的强度逐渐衰减。

需要注意:由于这种光谱是通过偶极矩自相关函数的傅里叶变换,之后进行归一化,因此单位丢失了,只能定性比较。

扩展

  1. 如果计算单分子的FT-IR,可能要考虑分子本身如果处于平衡态,振动就无法完成,因此初始结构可以进行变形。
  2. 如果计算多个分子,Periodicity应该设置为Bulk,且体系的密度可能不宜太低,否则分子间没有碰撞效应,振动谱也不完善。先压缩,然后放松也许是一个不错的选择。
  3. 本例是以DFTB中的GFN1-xTB为例,其他方法,例如ADF、BAND,除了Main(每种方法本身的参数设置窗口)外,其他参数完全一致,共用同样的GUI。
adf/ft-irofdftb.txt · 最后更改: 2023/08/25 21:31 由 liu.jun

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