这是本文档旧的修订版！
目录
NEB方法研究Pt在Pt表面的扩散
前言
在本文中将演示如何使用Nudged Elastic Band (NEB)方法研究扩散及其能垒。作为范例，将计算Pt原子在Pt(100)表面两个不同扩散机制的能垒[1][2]。主要包含如下内容：
- 创建并使用ATK-Classical优化Pt晶体结构；
- 创建包含一个吸附Pt原子的Pt(100)表面；
- 使用VNL内置的高质量反应路径初始猜测生成工具，以及交换扩散、直接跳跃扩散的起始结构、最终结构，产生两种扩散的NEB路径；
- 设置并使用ATK-Classical进行NEB计算；
- 分析结果并与文献对比。
关于构建、优化NEB计算的参数的更详细信息，请参阅ATK manual，尤其是关于NudgedElasticBand一节，以及OptimizeNudgedElasticBand功能。
注意： 本文中使用的NEB方法需要用户对初始结构和末态结构，以及路径进行预定，这通常非常重要。不过，使用其他非常强大方法，比如ATK内置的new Adaptive Kinetic Monte Carlo (AKMC)工具，即使不给定末态结构和猜测路径，通过计算也能获得与本例完全一样的信息。
在Pt(100)表面创建吸附Pt原子
本章中设置Pt(100)表面的吸附Pt原子，作为NEB计算的初始结构。 1，打开VNL，并点击Create New创建一个新的Project，将其命名（这里命名为Pt_Pt100_NEB），选择文件夹用来存储该Project相关信息。点击OK，并点击Open开始这个Project。
2，在VNL主窗口，点击图标
打开Builder。
3，导入Pt的面心立方晶体结构：点击Add ‣ From Database，并搜索“Platinum”。之后点击窗口右下角的
图标，将其添加到Stash。
4，点击窗口右下角的图标，将Pt原胞从Stash送入Script Generator。
5，在Script Generator中将Global IO中的Default output file中的名字改为“Pt_bulk.nc”
6，通过双击如下图所示的左边的Blocks中的对应图标，将其添加到Script面板中：
- New Calculator
- Optimization ‣ Optimize Geometry
7，双击Script面板中的New Calculator，并修改参数如下：
- 在Calculators面板，选择ATK-ClASsical
- 在Potential Settings面板，选择“EAM_Pt_2004”[3]
8，双击Optimize Geometry，并修改参数：
- Force tolerance: 0.01 eV/Å
- Stress tolerance: 0.001 eV/Å
- 取消勾选constrain cell，以允许晶格的弛豫
Optimize Geometry面板看起来应该如下图所示：
9，点击
图标，将生成的脚本送入Job Manager，保存脚本名为：“Pt_bulk.py”
10，在Select Machine窗口，确保Machine的下拉菜单设置为Local，之后按OK。
11，在Job Manager窗口中，确保Pt_bulk.py脚本被选中，之后点击Run Queue按钮（如下图）开始计算。计算大约需要几秒钟。
任务结束后，关闭Job Manager并回到VNL的主窗口。
12，在VNL主窗口，LabFloor栏出现了两个新项目，分别对应着Pt晶体初始结构（gID000）和优化结构（gID001）。
13，将gID001拖入到Builder中。
14，在Builder中，选择这个最新导入的Pt_bulk.nc项，并点击Builder ‣ Surface (Cleave)。
15，在Define the surface面板，确保Miller指数为h＝1，k＝0，l＝0，并点击Next。
16，在Define the surface面板，参照下图设置5×5p表面。
之后点击Next。
17，参照下图设置Finalize output configuration面板中的参数，得到一个包含5层以及10Å真空层的板。
之后点击Finish将该结构添加到Stash。
18，在Stash窗口，右键点击“Pt_bulk.nc (100)”项，并选择Copy。之后右键点击 “Pt_bulk.nc (100) (1)”，选择Rename将其改名为“initial.nc”。
19，点击
按钮，打开Camera面板（如下图所示），选择XY，从而将体系调整到xy方向。
调整好之后，关闭Camera面板，并使用鼠标滚轮可以放大、缩小视图。
20，按住CTRL键不放，使用鼠标左键分别选中Pt(100)最顶层的四个Pt原子。之后点击
，在这些原子中间额外添加一个原子，如下图所示：
21，选择新添加的Pt原子，点击窗口右边Coordinate Tools ‣ Translate。
22，在Translate面板，定义平移矢量，如下图所示：
填好数字之后，点击Apply，该原子即沿z方向向上移动1.6Å。该结构作为作为Pt(100)表面吸附Pt原子模型的初始结构，用于本文中的两个NEB计算。
创建交换扩散过程的末态结构
在本章中，将会设置Pt(100)面吸附Pt原子的交换扩散的末态结构[1]。
在交换扩散过程中，其中一个表面的Pt原子被吸附的Pt原子替换，而该表面原子沿[010]方向移动到下一个4原子包围的Hollow位，如下图所示：
该路径从能量上，比吸附原子直接跳到近邻的Pt(100)面hollow位（见下一章）更有优势[1][2]。
1，在Stash中左键点击“initial.nc” 项，并选择Copy，之后左键选中“initial.nc (1)” 项，并右键点击选择Rename，将其改名为“final_Exchange.nc”。
2，选择Stash中“final_exchange.nc”，选择下图中所示的院子（原子编号为88），并点击Coordinate Tools ‣ Translate。
3，在Translate面板，使用下图所示的平移矢量移动选中的原子：
4，选择吸附Pt原子，使用下图所示的平移矢量进行平移：
5，通过这种方式，获得了NEB计算交换扩散过程的末态结构。
创建直接跳跃过程的末态结构
在本章中，将会设置另一个可能的Pt(100)表面的吸附Pt原子扩散过程的末态结构。在这种扩散过程中，吸附原子直接在两个相邻的4原子包围的hollow位间跳跃。
1，在Stash中再次Copy “initial.nc” ，并重命名 “initial.nc (1)”为“final_jump.nc”。
2，选择Stash中的“final_jump.nc”，选择窗口中的吸附Pt原子，点击Coordinate Tools ‣ Translate。
3，在Translate面板，使用如下图所示的平移矢量进行，对吸附Pt原子进行平移。
4,使用这种方式，得到NEB计算直接跳跃扩散过程的末态结构：
构造NEB路径
本章演示如何产生沿着交换扩散反应路径的NEB各个构象.这也适合于直接跳跃的扩散路径,唯一的差别是在设置NEB路径的末态结构的时候，需要选取“final_jump.nc”。
1,点击Builder ‣ Nudged Elastic Band，并将“initial.nc”和“final_exchange.nc”分别拖到Nudged Elastic Band的左、右两个面板里面。
2,在Nudged Elastic Band面板设置参数如下图所示：
设置完毕之后，点击Creat，在Stash中创建一个名为“NEB: initial.nc final_exchanged.nc”项目，包括初始结构和末态结构以及ATK自动猜测出来的，沿着反应路径的各个结构（以下称为映像）。
注意：
VNL中的image-dependent pair potential (IDPP)[4]使用线性插值的方法，能够提供NEB反应路径的高质量初始猜测。对复杂的反应路径，在迭代次数和速度方面的改进非常显著。
注意：
可以对NEB的各个映像直接进行操作，例如可以：
- 选择特定映像并/或编辑特定原子
- 删除一个或多个映像，通过右键点击选中的任意两个映像，重新计算整个路径或两个选定映像之间的路径
- 将NEB映像中的某一个结构直接拖到Stash窗口
- 将任何一个兼容的结构拖到NEB映像中
- 使用Coordinate Tools下面的Mirror、Rotate、Translate工具编辑选中的原子。该操作将应用到所有映像或者选中映像
设置并运行NEB计算
本章中学习如何设置并运行交换扩散过程的NEB计算。直接跳跃扩散过程与此类似。
1,点击按钮，将“NEB: initial.nc final_exchange.nc”送入到Script Generator。
2,在Script Generator中，将Global IO面板中的Default output file名字改为“NEB_exchange.nc”。
3，将如下内容通过双击屏幕左侧Blocks面板里面对应的图标将其添加到Script栏：
- New Calculator
- Optimization ‣ Optimize Geometry
4，双击Script面板中的New Calculator，并修改如下参数：
- 在Calculator面板选择ATK-Classical
- 在Potential Settings面板选择“EAM——Pt_2004”
5，双击Script面板中的Optimize Geometry，并参照下图设置参数：
6，点击按钮将生成的脚本送入Job Manager，保存脚本名为“NEB_exchange.py”。
7，在Select Machine窗口，确保Machine下拉菜单选择的是Local，然后按OK。
8，在Job Manager中，确保脚本“NEB_exchange.nc”被选中，之后点击Run Queue按钮启动计算。该计算只需要几秒即可完成。当计算结束后，关闭Job Manager并会到VNL主窗口。
分析结果
1，交换和直接跳跃两种扩散过程的NEB计算都完成之后，两个新的文件出现在VNL主窗口的LabFloor面板。本文中，二者分别名为“NEB_exchange”和“NEB_jump”。
2，打开“NEB_exchange”文件，并选择“gID001”，该文件包含优化之后的交换扩撒的NEB路径。之后点击屏幕右边的Movie Tool。
3，类似的打开“NEB_jump”，选择其“gID001”并点击屏幕右边的Movie Tool。
4，通过对比Movie Tool中的两个能垒（见下图），可以看到交换扩散到能垒和直接跳跃扩散能垒分别为0.589eV和0.928eV，这是与实验一致的[1]。与更精确的DFT计算结果[2]也是一致的。本例中力场模拟得到交换扩散过程在能垒上优于直接跳跃过程0.334eV。
计算得到的交换扩散过程能垒
计算得到的直接跳跃扩散过程能垒
注意：通过AKMC方法计算得到得到的结果精确地与此一致，并未该体系的势能面预知信息。
结论
通过本文的演示，学习了使用ATK-Classical和VNL图形界面设置、计算分析了Pt吸附原子在Pt(100)表面的两种不同扩散路径。结果与DFT计算一致[2]：力场计算预测交换扩散过程在能量上优于直接跳跃扩散的方式。如果希望使用DFT模块重复本案例，可以直接与文献报道的DFT结果[2]对比。
参考文献
[1] G.L. Kellog and P.J. Feibelman “Surface Self-Diffusion on Pt(001) by an Atomic Exchange Mechanism” Phys. Rev. Lett. 64, 3143 (1990) PhysRevLett.64.3143
[2] P.J. Feibelman “Surface-diffusion mechanism versus electric field: Pt/Pt(001)” Phys. Rev. B 64, 125403 (2001) PhysRevB.64.125403
[3] X.W. Zhou, et al. “Misfit-energy-increasing dislocations in vapor-deposited CoFe/NiFe multilayers” Phys. Rev. B 69, 144113 (2004) PhysRevB.69.144113
[4] Smidstrup et al. “Improved initial guess for minimum energy path calculations” J. Chem. Phys. 140, 214106 (2014) link