这是本文档旧的修订版!
版本:2017.0
在本教程中,您将学习如何使用 Virtual NanoLab(VNL) 构建苯分子吸附在金 (111) 表面上两种不同的吸附构型,此处将其表示为 Bz@Au(111)。特别地,您将:
构建完这些几何结构后,您可以在ATK中使用其中一种计算方法对它们进行优化,以执行进一步的分析。
本教程中描述的很多VNL功能都相当通用的,除了表面吸附分子的结构外,还可以构建很多复杂构形,在教程Building a molecular junction中可以看到更多举例。
以下是构建Bz@Au(111)构形所需主要步骤的概括。
您将在此处由金的原始晶胞开始创建Au(111)的平板模型。
打开VNL,创建新项目。设置标题(此处为“Bz_Au111“),选择存放的文件夹路径(脚本、数据文件等),点击OK完成创建项目。
点击OPEN打开项目,开启您的VNL练习。
在VNL的主窗口,打开 Builder,点击Stash旁边的Add From Database,打开常用材料的实验结构数据库。
在搜索栏搜索“gold”,选中结果后点击 按钮,将结构导入Stash。
金的原始晶胞已经添加在Stash区域,现在可以用Builder plugins修改参数。
本例中,依次选择Bulk Tools Lattice Parameters插件,参照文献[LRZ+13]中采用DFT和PBE泛函情况下,将晶格常数a设为4.159 Å。
完成以上操作后,关闭插件小工具,返回到Builder。
下一步是金块体沿(111)方向切开,得到Au(111)表面的平板模型。
在 Builder里,Builders Surface(Cleave)插件切开金晶体,密勒指数$(h,k,l)=(1,1,1)$:
默认的超胞横向大小为1×1。有些情况下,因为该默认值的存在会非常高效。但在当前的例子中,我们需要3×3的平板结构使相邻苯分子的平面间作用力最小化。
因此,增加晶格矢量$\mathbf{v}_1$和$\mathbf{v}_2$的长度,如此
$$v_1 = 3u_1 + 0u_2$$ $$v_2 = 0u_1 + 3u_2$$
您还可以通过使用鼠标手动地在右边窗口内显示的平面晶胞上移动红色和蓝色矢量实现交互式地修改晶格矢量。
最后,点击out-of-plane cell vector $\mathbf{v}_3$ is下方的下拉菜单选择Non-periodic and slab-like使其形成具有上下方真空的表面。增加TOP vacuum值到20 Å,平板的Thickness为6层,如下图所示。
完成以上操作后,点击Finish。添加Au(111)平板构形到Stash区,关闭插件小工具。
当然,最后一步就是将苯分子吸附在Au(111)平板上。我们的第一个目标就是文献[LRZ+13]中报道的hcp-30°构形。
选中Stash区的“Gold(111)”,点击鼠标右键或按下键盘上F2键将其重命名为“Au(111)”。复制该结构,再次用鼠标右键重命名为“hcp30”。
在 Builder里,点击 按钮打开Molecular Builder。
在Molecular Builder里,从下拉菜单中点击Fragments Simple rings Benzene。
您现在可以将苯分子插入Au(111)构形中:点击Au(111)真空区域的某处将分子放置在那里。然后关闭Molecular Builder窗口。
需要注意的是,只能点击一次添加苯分子到Au(111)。因为每点击一次,就有一个分子被添加到同一个位置,新的原子会与那些已经存在的分子重叠!
谨记,您可以随时检查是否有重叠原子:点击Selection Tools Close Neighbors插件,选择一个相对较小的阈值(例如,0.001 Å)。
然后,您需要将分子旋转90°。首先用鼠标在分子周围画一个矩形选中所有苯原子。打开Coordinate Tools Rotate插件,将旋转轴设为“y”,旋转角度为90°,并确保勾选了Rotate around selection center的选项框。点击Apply执行旋转操作。
下一步,移动苯分子到吸附位置hcp-30°。首先,确保已选中所有的苯原子,然后点击 图标在分子的几何中心添加一个原子。您将利用这个原子为锚点将分子“吸入”表面的上方。
再次全部选中包括额外原子在内的所有苯原子,旋转视图为构形的俯视图。
点击 图标打开Move工具,然后点击苯分子中间的额外“吸入原子”,选中其为锚点原子,目标原子周围的阴影应该会变为红色。
在Move面板,确保您勾选了Snap的选项框。用鼠标移动锚点原子以拖拽分子将其放在第二个平板层的金原子上。
最后,参照文献[LRZ+13]调整分子-表面间的距离为3.62 Å:在Move面板,如下图所示在锚点原子位置$r_0$的z坐标处输入18.0272 Å。
一般情况下,为了设置所需的分子-表面距离,您一定要先知道金最顶层的笛卡尔坐标Z。这可以通过把指针悬停在Au(111)最顶层的一个原子上方而轻易获得。
最后,选中锚点原子并删除。至此,您的“hcp30”构形应如下图:
您可以把构形保存为ATKPython脚本,或者将其导出为一些主流的文件格式。
hcp-0°吸附构形与hcp-30°吸附构形相关,只要简单的将后者的吸附的苯分子旋转30°(假设Bz-Au(111)的距离恒定)就可以得到前者。
首先,在Stash区域复制“hcp30”,重命名为“hcp0”。然后选中新创建副本中的所有苯原子,再次打开Coordinate Tools Rotate。
将构形沿表面所在平面的法线z轴旋转30°,“hcp0”构形应如下图: