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adf:crystalandsurface

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adf:crystalandsurface [2024/02/08 17:40] – [8.1 AMSinput中的表面吸附模型] liu.junadf:crystalandsurface [2024/05/18 11:39] (当前版本) – [5.4 极性表面的稳定机制] liu.jun
行 1: 行 1:
-======Quantum ESPRESSO晶体与表面的计算======+======【入门基础教程】晶体与表面计算的一些基础知识======
 本教程将介绍： 本教程将介绍：
   * 三维晶体结构   * 三维晶体结构
行 74: 行 74:
  
 =====3，晶格常数优化===== =====3，晶格常数优化=====
-====3.1 运行晶格常熟优化====+====3.1 运行晶格常数优化====
 在计算化学中，在构建超胞或表面之前，先优化晶体的晶格矢量是很常见的操作。在计算声子或弹性张量之前，必须首先优化晶格。在AMSinput中，Main窗口“Task”→ Geometry optimization 即进行几何优化，然后在Details → Geometry optimization面板勾选Optimize lattice。还可以设置最大迭代次数maximum number of iterations，即结构优化次数上限。 在计算化学中，在构建超胞或表面之前，先优化晶体的晶格矢量是很常见的操作。在计算声子或弹性张量之前，必须首先优化晶格。在AMSinput中，Main窗口“Task”→ Geometry optimization 即进行几何优化，然后在Details → Geometry optimization面板勾选Optimize lattice。还可以设置最大迭代次数maximum number of iterations，即结构优化次数上限。
 ====3.2 晶格优化的收敛标准==== ====3.2 晶格优化的收敛标准====
行 225: 行 225:
  
 案例： 案例：
-  - 下载polar_stabilization.zip并解压，得到4个结构文件+  - 下载{{:adf:polar_stabilization.zip|polar_stabilization.zip}}并解压，得到4个结构文件
   - AMSinput → File → Import Coordinates导入clean_good.xyz   - AMSinput → File → Import Coordinates导入clean_good.xyz
   - 切换到DFTB模块，Task：Single Point，Model：SCC-DFTB   - 切换到DFTB模块，Task：Single Point，Model：SCC-DFTB
行 363: 行 363:
 {{ :adf:polar_stabilization08.png?600 }} {{ :adf:polar_stabilization08.png?600 }}
  
 +  - Edit → Tune Geometry
 +  - 选中水分子，点击右侧窗口顶部的 ⬭ 按钮设置要调整的原子，此时水分子的三个原子成为了Tune Geometry要移动的对象
 +  - 选择顶层的任意3个Cu原子，点击Plan右侧的 ⬭ 按钮，从而设置表面所在平面
 +  - 设置Distance to plane为2.5 Å，后面的选项改为to closest atom，用于控制表面吸附的分子到表面的距离
 +  - 调整不同的吸附位点：
 +     * 顶位：选择顶层的一个Cu原子
 +     * 桥位：选择顶层两个相邻的Cu原子
 +     * fcc穴位：选择顶层三个相邻的Cu原子，俯视图中可以看到其中心围着一个黄色（第三层）Cu原子
 +     * hcp穴位：选择顶层三个相邻的Cu原子，俯视图中可以看到其中心围着一个绿色（第二层）Cu原子
 +  - 点击Above atoms右侧的 ⬭ 按钮.
 +  - 点击Move按钮，吸附质就按照距离和位点移动到该位置了。
  
 +如下图所示：
  
 +{{ :adf:polar_stabilization09.png?650 }}
 +**小贴士：**
 +在Tune Geometry窗口中，您还可以：
 +  * Translate atoms, direction：沿某个方向一定距离平移原子。使用 ⬭ 按钮来定义选定原子的方向，或者手动输入平移量xyz。单击◀ ▶ 按钮来移动原子。
 +  * Translate atoms, target：向某个目标位置平移原子。使用 ⬭ 按钮，基于当前选定的原子定义目标位置。单击◀ ▶ 按钮来移动原子。
 +  * Rotate atoms：以Center为中心围绕Axis轴旋转原子。可以通过一个或2个原子来定义Center、Axis，也可以手动输入。例如，将Angle设定为20°，将“轴”设定为0，0，1，将“中心”设定为0，0，0。那么原子将围绕z轴以20°为步长转动。
 +  * 如果将鼠标光标放在输入字段上，您将在弹出的帮助信息中获得更多信息。
 +
 +====8.3 吸附能====
 +吸附能定义为吸附分子与基地的结合能：
 +
 +\[ΔE^\text{ads} = E^\text{slab} + E^\text{mol} - E^\text{slab+mol}\]
 +
 +右侧的所有能量都是几何优化过的能量，正吸附能意味着放热吸附。也可以使用不同的方式约定：
 +
 +\[ΔE^\text{ads} = E^\text{slab+mol} - (E^\text{slab} + E^\text{mol})\]
 +
 +如此，负吸附能意味着放热吸附。在报道吸附能时，请务必指定用于计算吸附能的公式。
 +
 +{{ :adf:polar_stabilization10.png?600 }}
 +
 +上图a到c表示需要计算能量的Slab、分子、Slab+分子，d表示远距离未吸附状态，也可以用这个体系的能量表示Slab能量与分子能量之和。
 +
 +====8.4 BAND的基组重叠误差BSSE====
 +在BAND中，如果基组不够大，吸附可能会因基组重叠误差（BSSE）而“显得”稳定。解决BSSE问题的最佳方法是增大基组，或者进行BSSE矫正。DFTB、Quantum ESPRESSO、VASP一般没有显著的BSSE。
 +
 +示例：水分子在ZnO（101’0）上的吸附。
 +
 +{{ :adf:polar_stabilization11.png?400 }}
 +
 +下图显示了包含/不包含BSSE校正的情况下计算的吸附能，每个几何结构都用相应的基组进行了优化，并对最终的Slab+分子体系进行了BSSE校正。
 +
 +{{ :adf:polar_stabilization12.png?500 }}
 +
 +BAND的BBSE矫正参考教程：[[adf:bsseofband]]
 +====8.5 ReaxFF吸附能计算方法====
 +在ReaxFF中，采用电负性均衡方法（EEM）确定原子的电荷，进而确定库仑能对总能量的贡献。在一个孤立的分子中，电荷只能在分子内各原子之间重新分配。类似地，对于孤立的Slab，电荷只能在Slab内的各原子之间重新分布。
 +
 +在Slab+分子体系中，有更多的自由度来重新分配电荷，从而可能得到更低的能量，吸附显得更稳定，这个问题类似于BSSE。因此对于ReaxFF，可以选择使用In-Cell处理方法：
 +\[E^\text{ads} = E^\text{slab+mol widely separated} - E^\text{slab+mol}\]
 +
 +其中，第一项是在一个体系里面计算的，其中Slab和分子被放置在同一个Cell中（故而称之为In-Cell），类似上图d所示。从而两项对应的两个体系，电荷具有相同的重排自由度，从而消除这种误差。类似地，也可以使用不同的符号约定：
 +
 +\[E^\text{ads} = E^\text{slab+mol} - E^\text{slab+mol widely separated}\]
 +
 +例子：H2O在ZnO(<span class="math notranslate nohighlight">\(10\bar{1}0\)</span>)上的吸附。（3×2）超胞，5个双层，晶格常数a=3.28Å，c=5.28Å。熟悉Python使用的用户，可以下载计算这些数值的{{:adf:reaxff_eads.zip|PLAMS python脚本}}测试。
 +
 +{{ :adf:polar_stabilization13.png?400 }}
 +
 +两种方法之间的吸附能差异为10 kcal/mol，这源于以下事实
 +
 +\[E^\text{slab} + E^\text{mol} \ne E^\text{slab+mol widely separated}\]
 +
 +对于更大的超胞和更厚的Slab，这种能量差变得更大，如下图所示：
 +
 +{{ :adf:polar_stabilization14.png?400 }}
 +
 +训练吸附相关的力场时，训练集要注意使用In-Cell模型。
 +
 +====8.6 双面吸附v.s.单面吸附====
 +Slab暴露出两个表面，吸附质可以添加到两个表面上，也可以只添加到一个表面上。对于Quantum ESPRESSO和VASP，双面吸附可以防止在真空间隙中形成偶极矩，不过BAND、DFTB支持没有真实2D周期性，不存在这个问题。
 +
 +====8.7 固定Slab====
 +一般通过固定Slab的中心层或底层，达到固定Slab的目的。当弛豫干净（没有吸附物）的Slab时，最好是弛豫所有原子（不固定任何原子），或者固定Slab中心层，这样Slab的顶部和底部都会弛豫。这种弛豫过的Slab可以用于：
 +  * 单侧吸附（放松所有原子或固定中心层和底层）
 +  * 双面吸附（放松所有原子或固定中心层）
 +即使在单侧吸附（在顶表面上）的情况下，使用DFTB、BAND、Quantum ESPRESSO或VASP时，具有松弛的底表面也是好的，这有助于SCF收敛，并提供“更清洁”的DOS，是对于共价或离子材料尤其如此。对于金属，这种影响较小。
 +
 +固定原子的方法：在AMSinput中，在Task设定为Geometry Optimization后，选择要保持固定的原子。Model → Model → Geometry Constrained and PES Scan，单击selected atoms (fix positions)前面的+按钮，保存作业运行即可。
 +
 +====8.8 固液界面====
 +建模参考：[[adf:moleculesonsurface]]
adf/crystalandsurface.1707385252.txt.gz · 最后更改: 2024/02/08 17:40 由 liu.jun

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