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atk:使用metadynamics动力学方法研究cu_111_中cu空位的扩散_plumed

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atk:使用metadynamics动力学方法研究cu_111_中cu空位的扩散_plumed [2020/02/07 15:17] – [使用Metadynamics动力学方法研究 Cu(111) 中 Cu 空位的扩散（PLUMED）] fermiatk:使用metadynamics动力学方法研究cu_111_中cu空位的扩散_plumed [2020/02/07 15:50] (当前版本) – [分析结果] fermi
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-Metadynamics <color #00a2e8>[LP02]</color> 是一种基于分子动力学的强大方法，可以研究多维自由能表面（FESs）。它允许人们通过基于系统微观坐标的多个综合变量（Collective Variables，CV）的函数重构系统的 FES。+Metadynamics <color #00a2e8>[LP02]</color> 是基于分子动力学的一种很有用的模拟方法，可以研究多维自由能表面（FESs），通过基于体系微观坐标的多个综合变量（Collective Variables，CV）的函数重构体系的 FES。
  
-在 Metadynamics 过程中，会在模拟期间定期向系统中添加附加的“歧视”势能（bias potential）。这就使系统能够克服高能势垒，逃离较深的自由能极小值，从而有效地探索整个自由能表面。在材料科学领域，该方法已用于研究晶体多态性、固液界面以及固体和表面的化学反应。本教程将应用这种方法研究 Cu(111) 面上 Cu 空位的扩散。+在 Metadynamics 模拟过程中，会在模拟期间定期向体系中添加附加的“歧视”势能（bias potential）。这可以使体系能够克服很高势垒，逃离较深的自由能极小值，从而有效地探索整个自由能表面。在材料科学领域，该方法已用于研究晶体多态性、固液界面以及固体和表面的化学反应。本教程将应用这种方法研究 Cu(111) 表面上 Cu 空位的扩散。
  
-**QuantumATK** 通过 PLUMED 插件实现 Metadynamics。在本教程中，我们将会简要地介绍该方法，解释怎样为 Cu(111) 上的空位扩散设置 Metadynamics 脚本，以及如何分析生成的自由能表面。+**QuantumATK** 通过 PLUMED 插件实现 Metadynamics。在本教程中，我们先简要地介绍该方法，然后演示如何为 Cu(111) 上的空位扩散设置 Metadynamics 脚本，以及如何分析生成的自由能表面。
  
 关于 Metadynamics 方法的更多信息，可参见参考文献 <color #00a2e8>[BBP11]</color> 和 <color #00a2e8>[BN15]</color>。 关于 Metadynamics 方法的更多信息，可参见参考文献 <color #00a2e8>[BBP11]</color> 和 <color #00a2e8>[BN15]</color>。
 ===== 理论背景 ===== ===== 理论背景 =====
  
-在 Metadynamics 中，在几个选定的自由度相空间中构造了外部偏势能，$S$，通常称为变量集（CVs）<color #00a2e8>[LP02]</color>。$S$ 是一系列 d 个关于系统微观坐标 $R$ 的函数。+在 Metadynamics 中，在特定的自由度相空间中构造外加的歧视势能，$S$，这些特定的自由度通常称为综合变量（CVs）<color #00a2e8>[LP02]</color>。$S$ 是一系列 d 个体系微观坐标 $R$ 的函数。
  
 $$S(R) = (S_1 (R), ..., S_d (R)).$$ $$S(R) = (S_1 (R), ..., S_d (R)).$$
  
-势能是在时间 t 内，高斯函数沿 CV 空间中轨迹的积分。在文献 <color #00a2e8>[BBP11]</color> 中，势能公式的简化版本为：+势能是在时间 t 内，高斯函数沿 CV 空间中轨迹的积分。在文献 <color #00a2e8>[BBP11]</color> 中，简单的势能公式为：
  
 $$V(S,t) = \int_{0}^{t} dt^{'} \frac{W}{\tau} \exp\left( -\sum_{i=1}^{d} \frac{(S_i (R)-S_i({R}(t^{'} )))^2}{2\sigma_i^2} \right),$$ $$V(S,t) = \int_{0}^{t} dt^{'} \frac{W}{\tau} \exp\left( -\sum_{i=1}^{d} \frac{(S_i (R)-S_i({R}(t^{'} )))^2}{2\sigma_i^2} \right),$$
  
-这里，$\tau$ 是高斯函数积分的步幅，$\sigma_i$ 是在第 $i$ 个 CV中高斯函数的宽度，$W$ 是高斯函数的高度。偏势能的作用是使系统远离局部最小值，并使其能够访问相空间的新区域。+这里，$\tau$ 是高斯函数积分的步幅，$\sigma_i$ 是在第 $i$ 个 CV中高斯函数的宽度，$W$ 是高斯函数的高度。歧视势能的作用是使系统远离当前的局部极小值，并使其能够到达相空间的新区域。
 ===== Cu(111) 中 Cu 空位的 Metadynamics 动力学模拟 ===== ===== Cu(111) 中 Cu 空位的 Metadynamics 动力学模拟 =====
  
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 在 {{:atk:builder.png?direct&25|}} **Builder**，点击 Add {{:atk:arrow.png?direct&5|}} From Database，导入“//Copper//”。然后点击 Builders {{:atk:arrow.png?direct&5|}} Surface (Cleave)，利用以下设置构造一个 Cu(111) 面： 在 {{:atk:builder.png?direct&25|}} **Builder**，点击 Add {{:atk:arrow.png?direct&5|}} From Database，导入“//Copper//”。然后点击 Builders {{:atk:arrow.png?direct&5|}} Surface (Cleave)，利用以下设置构造一个 Cu(111) 面：
  
-  * 设置弥勒指数为 <111>+  * 设置 Miller 指数为 <111>
   * 采用下图所示的表面晶格：   * 采用下图所示的表面晶格：
  
-{{ :atk:surface_lattice_424-20191228.png?600 |}}+{{ :atk:surface_lattice_424-20191228.png?500 |}}
  
   * 设置平面外晶胞矢量为“Non-periodic and normal (slab)”   * 设置平面外晶胞矢量为“Non-periodic and normal (slab)”
   * 设置厚度为 6 层，真空间隙为 10 Å。   * 设置厚度为 6 层，真空间隙为 10 Å。
  
-{{ :atk:surface_slab-20191228.png |}}+{{ :atk:surface_slab-20191228.png?500 |}}
  
 接下来，删除最上面那层坐标为 $(x,y) = (0,0)$ 的原子（下图中红色部分），创造出一个空位： 接下来，删除最上面那层坐标为 $(x,y) = (0,0)$ 的原子（下图中红色部分），创造出一个空位：
  
-{{ :atk:vacancy_site-20191228.png?600 |}}+{{ :atk:vacancy_site-20191228.png?500 |}}
  
  
 最后，点击 Selection Tools {{:atk:arrow.png?direct&5|}} Tags，标记 Cu(111) 最下面的 4 层。此标记将用于在 metadynamics 模拟过程中对它们的固定。 最后，点击 Selection Tools {{:atk:arrow.png?direct&5|}} Tags，标记 Cu(111) 最下面的 4 层。此标记将用于在 metadynamics 模拟过程中对它们的固定。
  
-{{ :atk:tag_selection0-20191228.png |}}+{{ :atk:tag_selection0-20191228.png?500 |}}
  
 ===== 创建 Metadynamics 脚本 ===== ===== 创建 Metadynamics 脚本 =====
  
-现在您已经准备好创建执行 metadynamics 模拟的脚本了。将结构从 **Stash** 发送到 {{:atk:script_generator.png?direct&25|}} **Script Generator** ，按照如下设置脚本：+现在您可以开始创建 metadynamics 模拟的脚本了。将结构从 **Stash** 发送到 {{:atk:script_generator.png?direct&25|}} **Script Generator** ，按照如下设置脚本：
  
 1.添加以下模块 1.添加以下模块
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   * {{:atk:optimization.png?direct&25|}} Optimization {{:atk:arrow.png?direct&5|}} MolecularDynamics   * {{:atk:optimization.png?direct&25|}} Optimization {{:atk:arrow.png?direct&5|}} MolecularDynamics
  
-{{ :atk:script2-20191228.png |}}+{{ :atk:script2-20191228.png?500 |}}
  
 2.双击 {{:atk:calculator.png?direct&25|}} **ForceFieldCalculator** 模块，使用“//EAM_Cu_2001b//”参数组。 2.双击 {{:atk:calculator.png?direct&25|}} **ForceFieldCalculator** 模块，使用“//EAM_Cu_2001b//”参数组。
行 70: 行 70:
 3.打开 {{:atk:optimization.png?direct&25|}} **MolecularDynamics** 模块，如下图设置模拟参数： 3.打开 {{:atk:optimization.png?direct&25|}} **MolecularDynamics** 模块，如下图设置模拟参数：
  
-{{ :atk:script_md-20191228.png |}}+{{ :atk:script_md-20191228.png?500 |}}
  
 4.最后，点击 **Add Constraints**，固定 Cu(111) 最下面已被标记的那 4 层。 4.最后，点击 **Add Constraints**，固定 Cu(111) 最下面已被标记的那 4 层。
  
  
-{{ :atk:md_constraints_editor-20191228.png |}}+{{ :atk:md_constraints_editor-20191228.png?500 |}}
  
  
行 152: 行 152:
  
 在以上输入中，//plumed_command// 部分包括被直接传递到 PLUMED <color #00a2e8>[BBP11]</color> 的输入。 在以上输入中，//plumed_command// 部分包括被直接传递到 PLUMED <color #00a2e8>[BBP11]</color> 的输入。
- +其中有下面四个命令行：
-有下面四个命令行：+
  
   * //UNITS//：这行控制 PLUMED 中采用的单位。如上编辑此行，将会用到 //Å//、//fs// 和 //eV// 这些单位。   * //UNITS//：这行控制 PLUMED 中采用的单位。如上编辑此行，将会用到 //Å//、//fs// 和 //eV// 这些单位。
-  * //p//：这行是用来定义约束的原子，在本例中是索引为 $81$ 的原子。+  * //p//：这行是用来定义约束的原子，在本例中是序号为 $81$ 的原子。
  
 <WRAP center important 100%> <WRAP center important 100%>
 === 注意 === === 注意 ===
-这个数值是根据 [[https://www.plumed.org/|PLUMED]] 中使用的索引设置的，在 **QuantumATK** 中原子的索引号从 $1$ 开始，而不是 $0$。因此这个值应被设置为“//索引//+1 号原子”，这里的原子//索引//是指被约束原子的索引。+这个数值是根据 [[https://www.plumed.org/|PLUMED]] 中使用的序号设置的，在 **QuantumATK** 中原子的序号从 $1$ 开始，而不是 $0$。因此这个值应被设置为“//序号//+1 号原子”，这里的原子//序号//是指被约束原子的序号。
 </WRAP> </WRAP>
  
行 192: 行 191:
 除了标准的 **QuantumATK** 输出，在作业的最后您将获得 ''COLVAR'' 和 ''HILLS'' 文件。这两个 <color #00a2e8>PLUMED</color> 的输出文件将用于分析 metadynamics 模拟。 除了标准的 **QuantumATK** 输出，在作业的最后您将获得 ''COLVAR'' 和 ''HILLS'' 文件。这两个 <color #00a2e8>PLUMED</color> 的输出文件将用于分析 metadynamics 模拟。
  
-为画出自由能 $\mathrm{F}$ 关于变量集 $\mathrm{CV\ 1}$ 和 $\mathrm{CV\ 2}$ 的函数分布图，您首选必须利用 ''atkpython extract_F.py'' 命令运行脚本 [[https://docs.quantumatk.com/_downloads/extract_F.py|↓ extract_F.py]]。将会产生这三个输出文件：+为画出自由能 $\mathrm{F}$ 关于综合变量 $\mathrm{CV\ 1}$ 和 $\mathrm{CV\ 2}$ 的函数分布图，首选要用 ''atkpython extract_F.py'' 命令运行脚本 [[https://docs.quantumatk.com/_downloads/extract_F.py|↓ extract_F.py]]。将会产生这三个输出文件：
  
   * ''F_vs_cv1.dat'' 包含 $\mathrm{F}$ vs. $\mathrm{CV\ 1}$ 的数据。    * ''F_vs_cv1.dat'' 包含 $\mathrm{F}$ vs. $\mathrm{CV\ 1}$ 的数据。 
行 202: 行 201:
 ''atkpython F_vs_cv1_cv2.py'' ''atkpython F_vs_cv1_cv2.py''
  
-{{ :atk:f_vs_cv1_cv2-20191228.png?600 |}}+{{ :atk:f_vs_cv1_cv2-20191228.png?500 |}}
  
  
-上图显示了自由能分布关于变量集 $\mathrm{CV\ 1}$ 和 $\mathrm{CV\ 2}$ 的热图。可以看出，在自由能面上有两个极小值，对应于空位从一个位置到相邻位置的扩散。+上图显示了自由能分布关于综合变量 $\mathrm{CV\ 1}$ 和 $\mathrm{CV\ 2}$ 的热图。可以看出，在自由能面上有两个极小值，对应于空位从一个位置到相邻位置的扩散。
  
-模拟时间内变量集的演变可以输入以下命令运行脚本 [[https://docs.quantumatk.com/_downloads/cv1_cv2_vs_time.py|↓ cv1_cv2_vs_time.py]] 获得：+模拟时间内综合变量的演变可以用以下命令运行脚本 [[https://docs.quantumatk.com/_downloads/cv1_cv2_vs_time.py|↓ cv1_cv2_vs_time.py]] 获得：
  
 ''atkpython cv1_cv2_vs_time.py'' ''atkpython cv1_cv2_vs_time.py''
行 213: 行 212:
 {{ :atk:cv1_cv2_vs_time-20191228.png?600 |}} {{ :atk:cv1_cv2_vs_time-20191228.png?600 |}}
  
-生成图展示了 $\mathrm{CV\ 1}$（红色） 和 $\mathrm{CV\ 2}$（蓝色）关于模拟时间函数的演变。可以看出，$\mathrm{CV\ 2}$ 对应于笛卡尔坐标 $y$，在固定值附近（$\mathrm{CV\ 2} = 0 \mathrm{Å}$）振荡，因为两个自由能极小值都出现在相同的 $y$ 值处。相反地，$\mathrm{CV\ 1}$ 对应于笛卡尔坐标 $x$，表明模拟势从左边的极小值（$\mathrm{CV\ 1} = -2.5 \mathrm{Å}$）开始。第一个极小值被填充直到接近 $2.2$ ns，然后系统移至第二个极小值（$\mathrm{CV\ 1} = 0 \mathrm{Å}$）。第二个极小值也被填充后，大约在 6 ns 内，系统在两个极小值间的振荡概率相同，直到模拟结束。+生成图展示了 $\mathrm{CV\ 1}$（红色） 和 $\mathrm{CV\ 2}$（蓝色）关于模拟时间的函数演变。可以看出，$\mathrm{CV\ 2}$ 对应于笛卡尔坐标 $y$，在固定值附近（$\mathrm{CV\ 2} = 0 \mathrm{Å}$）振荡，因为两个自由能极小值都出现在相同的 $y$ 值处。相反地，$\mathrm{CV\ 1}$ 对应于笛卡尔坐标 $x$，表明模拟势从左边的极小值（$\mathrm{CV\ 1} = -2.5 \mathrm{Å}$）开始。第一个极小值被填充直到接近 $2.2$ ns，然后体系移至第二个极小值（$\mathrm{CV\ 1} = 0 \mathrm{Å}$）。第二个极小值也被填充后（大约在 6 ns 内）系统在两个极小值间的振荡概率相同，直到模拟结束。
  
-自由能位垒也可以运行脚本 [[https://docs.quantumatk.com/_downloads/barrier.py|↓ barrier.py]] 分析：+自由能势垒也可以通过运行脚本 [[https://docs.quantumatk.com/_downloads/barrier.py|↓ barrier.py]] 分析：
  
 ''atkpython barrier.py'' ''atkpython barrier.py''
行 222: 行 221:
  
  
-结果显示位垒高度为 $0.647$ eV，与 <color #00a2e8>[KNB17]</color> 中结果一致。+结果显示势垒高度为 $0.647$ eV，与 <color #00a2e8>[KNB17]</color> 中结果一致。
  
  
atk/使用metadynamics动力学方法研究cu_111_中cu空位的扩散_plumed.1581059855.txt.gz · 最后更改: 2020/02/07 15:17 由 fermi

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