adf:periodicity
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| adf:periodicity [2023/08/04 15:13] – [6，避免误解] liu.jun | adf:periodicity [2024/04/03 17:25] (当前版本) – [周期边界条件] liu.jun | ||
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| ======周期边界条件====== | ======周期边界条件====== | ||
| + | =====重要性===== | ||
| + | 这个知识点，对分子动力学模拟、晶体DFT计算，是必备基础知识，这个点不掌握，后续导致无穷无尽的理解方面的问题，模型的错乱问题。如果这个知识点不懂，建议不要进行分子动力学模拟、晶体的DFT计算，因为你在浪费自己和他人的时间！ | ||
| + | =====前言===== | ||
| + | 有一类材料，比如NaCl单晶，也许在宏观上它是一个小颗粒，但是在微观上，几乎就是以一个重复单元，在三个维度上重复约阿伏伽德罗常数那么多次，对微观机理研究来说，就可以认为是无限重复的。在材料的性质研究中，人们发现材料的很多方面的宏观、微观、电子结构性质，只与其重复单元的状况有关，而与重复具体是阿伏伽德罗常数次，还是阿伏伽德罗常数的2倍那么多次，并没有太大关系。 | ||
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| + | 从而基于第一性原理的研究，以及大部分的分子动力学研究，产生了基于重复单元的计算，得到整体性质的这个思路。这种思路下，模型是一个重复单元，但是这个重复单元的边界是**具有周期性特征**的。那么何为周期性边界条件？详见下文，从各个不同的角度进行描述。 | ||
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| =====1，我的体系是一个明明是三维的，有厚度，怎么叫二维材料？===== | =====1，我的体系是一个明明是三维的，有厚度，怎么叫二维材料？===== | ||
| 倘若这是定义材料维度的方式，那所有材料都是三维的，没有一、二维材料。 | 倘若这是定义材料维度的方式，那所有材料都是三维的，没有一、二维材料。 | ||
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| 一般说的一、二、三维材料，是指在几个维度上具有周期性。一维材料是只在 X 方向有周期性，通俗的说，无限长；二维材料在 X、Y 两个方向有周期性，通俗的说，是一个无限大的面板，具有一定厚度；三维材料是指在 X、Y、Z 三个维度均有周期性，即长宽高无限大的块体。 | 一般说的一、二、三维材料，是指在几个维度上具有周期性。一维材料是只在 X 方向有周期性，通俗的说，无限长；二维材料在 X、Y 两个方向有周期性，通俗的说，是一个无限大的面板，具有一定厚度；三维材料是指在 X、Y、Z 三个维度均有周期性，即长宽高无限大的块体。 | ||
| - | 三维、二维、一维周期边界，在 AMSinput 中 Periodicity 中分别对应 Bulk、Slab、Chain。 | + | 三维、二维、一维周期边界，在 AMSinput 中 Periodicity 中分别对应 Bulk、Slab、Chain。Periodicity 为 None，则没有周期性，整个体系之外，为无限大真空，那么分子动力学模拟，分子有可能扩撒到无穷远处。 |
| 行 12: | 行 19: | ||
| 对于 DFT 而言： | 对于 DFT 而言： | ||
| - | * **平面波程序如 VASP 等**：只能模拟三维材料，因此它在模拟一、二维材料的时候，只能采用近似的方法：把没有周期性的维度上加足够大的真空，这样杜绝这些方向上的周期性，对研究的材料的影响。例如二维材料，实际上平面波程序真正模拟的不是一个 slab，而是无数个 slab 的重叠，只是 slab 之间用足够厚的真空隔开，避免层与层之间的影响。理论上而言，真空越厚，越趋近真正希望模拟的层状结构，但真空层越厚，计算量也会越大，所以会折中到例如15埃。因此平面波程序的单包永远是六边形盒子。 | + | * **平面波程序如 VASP 等**：只能模拟三维材料，因此它在模拟一、二维材料的时候，只能采用近似的方法：把没有周期性的维度上加足够大的真空，这样杜绝这些方向上的周期性，对研究的材料的影响。例如二维材料，实际上平面波程序真正模拟的不是一个 slab，而是无数个 slab 的重叠，只是 slab 之间用足够厚的真空隔开，避免层与层之间的影响。理论上而言，真空越厚，越趋近真正希望模拟的层状结构，但真空层越厚，计算量也会越大，所以会折中到例如15埃。因此平面波程序的单包永远是六边形盒子。这种方法会引入一个误差，就是层与层之间存在不可忽视的静电作用，虽然使用Dipole correction能够一定程度上屏蔽这种静电作用，但也只是近似地解决这个误差。 |
| * **AMS 中的 BAND**：BAND 不是平面波程序，理论上也可以用加真空层的方式来实现一维、二维材料，但没有必要。因为 BAND 本身可以用线段单包、四边形单包，这种方式既降低了计算量，也提高了精度，不需要画蛇添足地用三维周期边界通过近似的方式，模仿低维度周期边界。因此 BAND 非常适合低维度材料的 DFT 计算。当然有优势就有劣势，计算三维周期体系，如果体系不大，则 BAND 的效率不如平面波程序，但如果是三维大体系，速度又优于平面波程序。 | * **AMS 中的 BAND**：BAND 不是平面波程序，理论上也可以用加真空层的方式来实现一维、二维材料，但没有必要。因为 BAND 本身可以用线段单包、四边形单包，这种方式既降低了计算量，也提高了精度，不需要画蛇添足地用三维周期边界通过近似的方式，模仿低维度周期边界。因此 BAND 非常适合低维度材料的 DFT 计算。当然有优势就有劣势，计算三维周期体系，如果体系不大，则 BAND 的效率不如平面波程序，但如果是三维大体系，速度又优于平面波程序。 | ||
| 对基于力场的分子动力学而言： | 对基于力场的分子动力学而言： | ||
| - | * 一般都是三维周期边界。如果是二维、一维周期边界，如果固体表面存在分子，则分子会扩散到周围无限大的真空中去，因此一般只会使用三维周期边界。 | + | * 一般都是三维周期边界。**如果是二维、一维、None周期边界，如果固体表面存在分子，则分子会扩散到周围无限大的真空中去**，因此一般只会使用三维周期边界。 |
| =====3，怎么创建盒子？===== | =====3，怎么创建盒子？===== | ||
| 行 36: | 行 43: | ||
| =====6，晶格矢量与坐标轴===== | =====6，晶格矢量与坐标轴===== | ||
| - | 一般默认情况下，周期性体系默认不显示坐标轴，但是显示晶格矢量。对于三维周期性体系，晶格矢量有红、绿、蓝三个，分别代表A、B、C三个方向。晶格矢量是描述周期性的方向，沿着晶格矢量方向具有周期重复性。 | + | 一般默认情况下，周期性体系默认不显示坐标轴，但是显示晶格矢量。对于三维周期性体系，晶格矢量有红、绿、蓝三个，分别代表A、B、C三个方向。晶格矢量是描述周期性的方向，沿着晶格矢量方向具有周期重复性。二维体系则晶格矢量只有2个，一维体系只有1个。 |
| * 显示/ | * 显示/ | ||
| * 显示/ | * 显示/ | ||
| + | * 调整Cell的位置（这个对模拟结果没有影响，一般是为了便于观察）：View → Periodic → Position Unit Cell。有三个选项，其中Atoms是以某个原子为Cell顶点，原子移动的时候，Cell位置也会随之移动；0 to 1是以坐标原点为Cell顶点；-0.5，0.5是以坐标原点为Cell中心。 | ||
| =====7，避免误解===== | =====7，避免误解===== | ||
| AMS2022 以及以前的版本中，大多数误解，都可以在该例第 2、3 条中得以澄清：[[adf: | AMS2022 以及以前的版本中，大多数误解，都可以在该例第 2、3 条中得以澄清：[[adf: | ||
| 行 49: | 行 57: | ||
| 如果选择 view outside，则会显示 Cell 外部一定距离的原子情况，用户可以自行尝试。 | 如果选择 view outside，则会显示 Cell 外部一定距离的原子情况，用户可以自行尝试。 | ||
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| + | 即，在Cell边界上的“棍”是指该Cell中的原子，和相邻Cell中的原子是成键的，但由于周期性的原因，只显示一个Cell的原子即可，因此相邻Cell的原子不再显示，而相邻周期的原子，实际上就是本Cell平移一个周期的位置上的那个原子。而此除显示为虚影，就是告诉用户，虚影处是有原子的，但是不显示，因为在隔壁Cell。 | ||
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| + | =====8，典型错误操作==== | ||
| + | 如果充分理解以上，则不可能犯下面的错误： | ||
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| + | 一个体系，无论是Slab、Bulk，还是气相混合物，弛豫完成之后，直接修改Cell尺寸。这是一个对周期性完全不理解，导致的错误操作。拿二维体系来说，例如一个石墨烯，直接扩大Cell，就成了石墨烯豆腐块，中间隔几十埃的真空。——为什么？因为Cell边界附近的原子，和隔壁Cell的原子是成键的，直接加几十埃的真空，就相当于把这个键拉伸到几十埃长，对ReaxFF、DFTB、DFT而言，那就是断键了。 | ||
| + | |||
| + | 跨越Cell边界的分子，也是类似！ | ||
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| + | 简而言之，直接扩大Cell，令跨越Cell边界的分子碎裂，令跨越Cell边界的二维材料被切割开，令跨越Cell边界的晶体，成为了团簇。 | ||
adf/periodicity.1691133183.txt.gz · 最后更改: 2023/08/04 15:13 由 liu.jun