在本教程中，我们将使用基于 AMS 软件图形窗口（GUI），介绍使用 Zacros 程序进行动力学蒙特卡罗（KMC）计算。GUI 将生成一个 pyZacros 脚本（详细参考 pyZacros 手册），该脚本可以像其他运行脚本一样通过 AMSjobs 运行。如果有一些 python 经验，将此脚本扩展到更高级的任务应该是没有困难的。

使用Zacors发表文章，需引用如下：

• Stamatakis, M. and D. G. Vlachos (2011). “A Graph-Theoretical Kinetic Monte Carlo Framework for on-Lattice Chemical Kinetics.” The Journal of Chemical Physics, 134(21): 214115.
• Nielsen, J., M. d’Avezac, J. Hetherington and M. Stamatakis (2013). “Parallel Kinetic Monte Carlo Simulation Framework Incorporating Accurate Models of Adsorbate Lateral Interactions.” The Journal of Chemical Physics, 139(22): 224706.
• Ravipati, S., Nielsen, J., d’Avezac, M., Hetherington, J. and M. Stamatakis (2020). “A Caching Scheme to Accelerate Kinetic Monte Carlo Simulations of Catalytic Reactions”. The Journal of Physical Chemistry A, 124(35): 7140-7154. [please cite if you are using the caching scheme]
• Savva, G. D. and M. Stamatakis (2020). “Comparison of Queueing Data-Structures for Kinetic Monte Carlo Simulations of Heterogeneous Catalysts”. The Journal of Physical Chemistry A, 124(38): 7843-7856. [please cite if you are using the skip-list or the pairing heap queueing system]
• Ravipati, S., Savva, G. D., Christidi, I.-A., Guichard, R., Nielsen, J., Réocreux, R., and Stamatakis, M. (2022). “Coupling the Time-Warp algorithm with the Graph-Theoretical Kinetic Monte Carlo framework for distributed simulations of heterogeneous catalysts”. Computer Physics Communications, 270: 108148 [please cite if you are using the MPI Time- Warp algorithm implementation]

本教程中，我们将使用 Ziff-Gulari-Barshad 模型（该模型的介绍参考资料1、2)。

本教程产生的作业文件：下载并解压得到 *.kin 文件（注意参数与教程中略有差别，不同之处建议以教程为准），在 Zacros 窗口 File → Open 可以打开该文件（注意路径中不要包含中文、空格）

用户需要安装 Zacros-post 包：联网状态下，SCM → Package → 选中 Zacros post 点击 Install 安装。

打开软件图形窗口：AMSJobs → SCM → Kinetics → 点击MKMcxx 改为 Zacros模块（以下称呼为 AMSdynamics 图形窗口）。

在第一步中，我们将进行常规计算参数设置，位于图形窗口最右侧的面板，一般设置包括系统的条件，如温度和压力，也可以指定随机种子数，如果指定相同随机数，则多次运行也将产生相同的结果。

Runtime 部分的参数，是指定停工条件，可以设定模拟步数或、计算时间，或实际的“墙钟”时间长度，如果不设置则使用默认最大值。

Reporting 是设置采样操作的条件，包括快照操作、过程统计操作和物种数量报告操作，一般按 On Event 对测试运行是最有用的，或按 On time（即步长）设置。

GUI中的所有常规设置都相当于 simulation_input.dat 中的 Zacros 输入选项。这些选项将在脚本中作为 pyZacros Settings 对象生成。本例中使用以下设置：

用户可以在最左侧面板上，添加气体（Gas species）和表面物种（Surface species）。首先添加气体物种：使用 + 按钮，可以添加新的气体物种。也可以从预先格式化的 Spreadsheet 数据表格中复制，然后到这个界面粘贴，从而不需要一个一个手动输入数据。字段可以为空，气体能量的默认值为0.0 eV，初始摩尔分数为0.0。

首先设置气体物种 Gas species，例如：

其中：

• 摩尔比是指初始摩尔比
• 留白的数据，将使用默认值 0.0，例如 CO$_2$ 的初始摩尔为0.0，CO、O$_2$ 的初始摩尔比为 0.45:0.55
• Gas energy、Cluster energy、Activation energy是指气体、Cluster相对于参考集的能量，例如本例中CO、O$_2$是参考集中的物质，因此他们的Gas energy为0.0，活化能与 DFT 计算活化能类似，不过只是过渡态与反应物的单点能之差，详细介绍参考：DFT中的能量如何转化为Zacros动力学蒙特卡洛中的输入能量

接下来，添加表面物种Surface species。默认情况下，总是有空的site，标记为 *。表面物种名称的末尾通常有 * 字符，表示物种的“齿”。表面物种命名遵循这个惯例的话，AMSdynamics 图形窗口能正确处理“齿”数。

其中 CO* 即表示形成的 CO 吸附质，O* 表示一个氧原子形成的吸附质。

在后面的步骤中，气体和表面物种将用于建立 Clusters 和 Reactions。在设置 Clusters 和 Reactions 之后，仍然可以修改或添加新 species。在Zacros中，species 是 simulation_input.dat 文件的一部分，并以相同方式处理。它们将在脚本中生成为 pyZacros Species。在pyZacros中，Molar fractions 是 Settings 对象的一部分，用于更高级的脚本。

晶格结构位于窗口中间面板，左边是构建晶格的工具。可以使用“Preset”模板列表中的晶系，指定晶格常数后，然后单击“构建”以创建新晶格。这个操作将删除之前创建好的晶格、Clusters 和 Reactions，因为Clusters 和 Reactions 往往和被删除晶格是关联起来的。用户也可以自己创建 Preset：创建晶格（设定好晶格矢量、超胞倍数）后 File → Preset 可以将其（整个超胞）保存为 Preset（下次使用这个 Preset 时，它是作为一个大型单胞的角色了），也可以在 File → Preset → Delete 删除Preset。

晶格矢量可以具有自定义值，也可以根据需要，沿用 Preset 自带值。Repeats 可以在任何时候进行修改，所以使用 Preset 时没有必要去设定。如果使用的是完整的自定义晶格，则可以将其保持为1。

最后是关于位点 Site 的设置，Site types 和Sites 分别设定位点的标记符号，以及位点的相对于单胞的分数坐标。例如：

Clusters 设置位于左侧面板的 Clusters 选项卡下面，以“图”的形式表示，可以通过从晶格中选择（鼠标左键可以多选，取消选择时只需在空白处点击即回到没有选择的状态）一个或多个相连接的位点来定义，这样可以确保“图”实际存在于晶格中，并立即提供“图”的可视化效果。选中需要的位点后，单击 + 添加新 Cluster，例如：

• Name：为该 Cluster 命名，建议避开中文字符。
• Multiplicity：在晶格上找到该 Cluster 的次数。
• Cluster energy：Cluster 的能量。如果有多个 Cluster，即 Multiplicity>1，则每个 Cluster 的 Cluster energy 为 Multiplicity 分之一。如果 Cluster energy 已经归一化，则 Multiplicity 应设为1。
• Sitetype 列出所有 site 的类型，Entry 只是一个从1开始的编号，Species 则为该位点吸附的物种，用户可以自行选择，其中多齿物种在每个结合位点上应该具有相同的 Entity 编号，最终保存设置时，GUI 将检查是否一致。
• 点击 Show 按钮，可以在晶格上显示该 Cluster 在晶格上的位置和标记，一般会在最靠近原点的位点显示 Cluster 代表。
• 可以重新选择新的位点，然后点击 Update 按钮，将 Cluster 的图更改为新选择。
• Delete 按钮删除该 Cluster。

这里我们添加两个 Cluster：CO* 和 O*

在左侧面板的 Reactions 选项卡下设置，就像 Cluster 一样，反应以“图”表示，并通过相同的方法进行定义。每个位点都代表一个基本反应事件的初始态和终态（详见下图中的具体设置，有助于理解这句话）。

• 勾选 Reversible 复选框，则表示该反应是可逆的（如DFT中的能量如何转化为Zacros动力学蒙特卡洛中的输入能量所述，Zacors 能够自动处理逆反应的活化能）。
• Pre exponential：正向反应 Arrhenius 公式的指前因子。
• PE ratio：对于可逆反应，指定正向和反向指前因子的比率。
• Activation energy：零覆盖极限下的活化能（活化能的含义如前所述，详见DFT中的能量如何转化为Zacros动力学蒙特卡洛中的输入能量）。

然后分别对初态和末态指定吸附物种、可能的气体物种。与 Cluster 一样，多齿物种的 Entity 编号应该相同。点击 Gas 前面的 +，即可增加的气体物种，N 列为气体物种的编号列。Show、Update 和 Delete 的工作方式与 Cluster 相同。

我们将添加 3 个反应；两个吸附反应和一个氧化反应：

在 Zacros 中，反应机制设置位于 mechanism_input.dat 文件中，将生成 pyZacros ElementaryReaction。

本教程没有使用左侧面板上的 Initial state 选项卡，它可以用于设定随机或指定初始状态的表面物种填充位点。现在可以 File → Save 保存作业，将生成 *.kin 文件，该文件存储 GUI 中的各种设置，稍后可以由 AMSdynamics 的图形窗口再次打开类似于 AMSinput 的 *.ams 文件。同时将生成运行脚本 *.run 文件，其中包含完整的 pyZacros 脚本。

File → Run 运行作业。

pyZacros 生成的所有文件和 Zacros 的输出都位于 *.results 目录中。如果 AMSdynamics 窗口如果仍然是打开的状态，它会弹出提示，要求分析结果。当然也可以通过菜单栏 View → Results 来查看结果。从而打开 Zacros post 窗口。在 Zacros post 中，您可以选择 Plot → Species Numbers 显示物种随时间变化的曲线：

其它分析，用户可以自行探索。

• 本文参考官方英文教程：Kinetic Monte Carlo