中科大 Materials Studio 培訓(xùn)教程 7(包你學(xué)會!)請將這一系列全看完,一定有收獲.ppt

目的 介紹分子吸附在表面時(shí) 用CASTEP計(jì)算電荷密度差 模塊 MaterialsVisualizer CASTEP前提 CO吸附在Pd 110 表面背景本講義將研究相對于孤立的CO分子和沒有被干擾的Pd 110 面而言 CO分子的成鍵是如何影響電子分布的 電荷密度的變化可以用兩種方法計(jì)算出來 第一個(gè)選擇就是計(jì)算各個(gè)分子碎片的電荷密度 這個(gè)方法便于描述如何由較小的體系組成較大的體系 該方法描繪了在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候和一個(gè)分子吸附到一個(gè)表面的時(shí)候 電荷密度是如何發(fā)生變化的 本例中 CO分子吸附在Pd 110 面上 電荷密度的變化可以表示為 CO Pd 110 CO Pd 110 式中 CO Pd 110 是CO Pd 110 體系的總的電荷密度 CO和 Pd 110 分別是吸附物和基底的未受干擾的電荷密度 另一個(gè)方法就是根據(jù)原子來計(jì)算電荷密度 CO Pd 110 i 這里 下標(biāo)i遍及所有原子 這個(gè)方法顯示了由于形成全部的化學(xué)鍵而導(dǎo)致的電子分布的變化 該方法便于描述體系的化學(xué)鍵是如何通過原子電荷密度的離域化來形成的 電荷密度的顯示有助于理解化學(xué)吸附的過程 分子會選擇在哪里吸附 分子為什么會選擇在那里吸附 分子穩(wěn)定吸附在那里的成鍵機(jī)理是什么 Youwillfocusononeadsorptionsite theshortbridgesiteyoustudiedinthetutorialAdsorptionofCOontoaPd 110 surface Example Pd 110 面上的CO分子電荷密度變化 內(nèi)容 1 建立CO在Pd表面的吸附2 定義碎片3 運(yùn)算4 顯示碎片的電荷密度差 1 建立CO在Pd表面的吸附 本部分與前一個(gè)講義 CO分子在Pd 110 表面的吸附 相關(guān)聯(lián) 重復(fù)CO表面吸附模型的構(gòu)建 1 建立Pd晶體 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 2 構(gòu)建Pd 110 表面 3 構(gòu)建并優(yōu)化CoonPd 110 結(jié)構(gòu) 1 準(zhǔn)備項(xiàng)目在D或E盤中建立class5文件夾 運(yùn)行MS 在class5中建立名為Pd CO的Project 2 1 為便于管理項(xiàng)目 我們先在項(xiàng)目中準(zhǔn)備三個(gè)子文件夾 在ProjectExplorer的根圖標(biāo)Pd CO上右鍵單擊 選擇New Folder 再重復(fù)此操作二次 在NewFolder上右鍵單擊 選擇Rename 鍵入Pdbulk 在其它的文件上重復(fù)此操作過程 把它們依次更名為Pd 110 和 1x1 COonPd 110 2 建立Pd晶體 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 MaterialsStudio所提供的結(jié)構(gòu)庫中包含有Pd的晶體結(jié)構(gòu) 在ProjectExplorer中 右鍵單擊Pdbulk文件夾并且選擇Import 從Structures metals pure metals中導(dǎo)入Pd msi 1 2 3 4 5 顯示出bulkPd的結(jié)構(gòu) 我們把顯示方式改為BallandStick 在Pd3DModeldocument中右鍵單擊 選擇DisplayStyle 在Atoms標(biāo)簽中選擇BallandStick 關(guān)閉對話框 現(xiàn)在使用CASTEP來優(yōu)化bulkPd 為了減少計(jì)算量 將晶胞轉(zhuǎn)換為原胞 從工具欄中選擇CASTEP 再選擇Calculation或菜單欄中選擇Modules CASTEP Calculation 把Task從Energy改為GeometryOptimization 按下More 按鈕 在CASTEPGeometryOptimization對話框中選中OptimizeCell選項(xiàng) 設(shè)定本地機(jī)運(yùn)行 按下Run鍵 工作遞交后 開始運(yùn)行 結(jié)束后出現(xiàn)提示信息 選擇File SaveProject保存項(xiàng)目 Window Closeall關(guān)閉工作窗口 在ProjectExplorer中打開位于PdCASTEPGeomOpt文件夾中的Pd xsd 顯示的即為Pd優(yōu)化后的原胞結(jié)構(gòu) 由下面步驟恢復(fù)Pd優(yōu)化后的晶胞結(jié)構(gòu) 在左側(cè)的Properties中選擇Lattice3D 從中可以看到優(yōu)化后的晶格參數(shù)大約為3 95 其而其實(shí)驗(yàn)值為3 89 File SaveProject保存項(xiàng)目Window Closeall關(guān)閉工作窗口 3 構(gòu)建Pd 110 表面 本部分需要使用來自Pdbulk部分的優(yōu)化后的Pd結(jié)構(gòu) 打開Pdbulk PdCASTEPGeomOpt文件夾里的Pd xsd 創(chuàng)建一個(gè)表面是一個(gè)兩步過程 首先是要切出一個(gè)表面 其次就是創(chuàng)建一個(gè)包含了表面的真空層 從菜單欄里選擇Build Surfaces CleaveSurface 把Cleaveplane hkl 從 100 改為 110 按下TAB鍵 把FractionalThickness提高至1 5 按下Cleave按鈕 關(guān)閉此對話框 一個(gè)新的3D模型文件打開了 它包含了一個(gè)二維周期性表面 然而 CASTEP需要的是一個(gè)3D周期性系統(tǒng)當(dāng)作輸入文件 這可以通過使用VacuumSlab工具得到 選擇Build Crystals VacuumSlab 把Vacuumthickness的值從10 00改為8 00 注意C軸的方向 按下Build按鈕 注意真空層的方向在oc 結(jié)構(gòu)由2D變?yōu)?D 并且一個(gè)真空層被加到原子的上方 旋轉(zhuǎn)此3D圖 注意OA OB OC的方向與X Y Z三個(gè)坐標(biāo)軸不同 真空層沿OC方向 這樣調(diào)整了方向 oc沿z軸方向 右擊3D模型 選擇LatticeParameters 選擇Advanced標(biāo)簽 按下Reorienttostandard按鈕 關(guān)閉此對話框 旋轉(zhuǎn) 改變晶格顯示方式 轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)使得z 軸在豎直方向 右擊3D文件 選擇DisplayStyle 選擇Lattice標(biāo)簽 在Displaystyle部分 把Style由Default改為Original 關(guān)閉對話框 3D結(jié)構(gòu)改變?nèi)缦?Z坐標(biāo)有最大值的的Pd原子被稱為Pd最上層 在弛豫表面之前 必須把Pd內(nèi)部的原子固定住 因?yàn)楝F(xiàn)在只需要弛豫Pa的表面 按下SHIFT鍵 選中除了最上層的Pd原子之外的所有Pd原子 選擇菜單條中的Modify Constraints 勾選上Fixfractionalposition 關(guān)閉此對話框 Pd體內(nèi)的原子被固定住 可以通過改變顯示顏色查看被限制了的Pd原子 在3D模型文件內(nèi) 點(diǎn)擊取消選擇原子 右擊文件 選擇DisplayStyle 在Atom標(biāo)簽欄上的Coloring區(qū)域 把顏色選項(xiàng)改為Constraint 現(xiàn)在這個(gè)3D模型文件如下所示 把顏色選項(xiàng)改回Element 關(guān)閉此對話框 這個(gè)結(jié)構(gòu)是優(yōu)化CO分子在Pd 110 表面吸附的起始模型 選擇工具條中的File SaveAs 瀏覽到 1x1 COonPd 110 文件夾 把文件名改為 1x1 COonPd 110 按下Save按鈕 選擇File SaveProject 然后thenWindow CloseAll 4 把CO分子添加到1x1Pd 110 表面并優(yōu)化此結(jié)構(gòu)現(xiàn)在的工作對象是 1x1 CoonPd 110 文件夾內(nèi)的結(jié)構(gòu) 在ProjectExplorer內(nèi) 打開 1x1 COonPd 110 文件夾內(nèi)的 1x1 COonPd 110 xsd文件 現(xiàn)在把CO分子添加到短橋鍵位置的上方 上一講已根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)來確定了鍵的長度 這里直接使用已有的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 選擇菜單欄里的Build AddAtoms 選擇Option標(biāo)簽 確認(rèn)坐標(biāo)系統(tǒng)是Fractional 選擇Atoms標(biāo)簽 把Element改為C 把a(bǔ)的值改為0 0 b的值改為0 5 c的值改為0 382 按下Add按鈕 如果新加的原子沒有球狀顯示 從菜單欄選擇view DisplayStyle BallandStick 如果要知道所建立的模型正確與否 可以使用Measure Change工具 點(diǎn)擊與Measure Change工具相關(guān)聯(lián)的選項(xiàng)箭頭 選擇Distance 點(diǎn)擊Pd C鍵 鍵長顯示為1 928 接近實(shí)驗(yàn)值1 93 下一步是添加O原子 在AddAtoms對話框上 把Element改為O C O鍵的實(shí)驗(yàn)值是1 15 在分?jǐn)?shù)坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi) 這個(gè)值是0 107 把這個(gè)值與C的分?jǐn)?shù)z坐標(biāo)值相加 就得到O的分?jǐn)?shù)z坐標(biāo)值0 489 把c的值改為0 489 按下Add按鈕 關(guān)閉此對話框 Pd的起始對稱性是P1 但是隨著CO分子的引入發(fā)生了改變 可以通過運(yùn)用FindSymmetry工具找到并加上對稱性 選擇工具條上的FindSymmetry工具 按下FindSymmetry按鈕 然后按下ImposeSymmetry按鈕 現(xiàn)在的對稱性是PMM2 右擊3D模型文件 選擇DisplayStyle 選擇Lattice標(biāo)簽 把Style改為Default 現(xiàn)在結(jié)構(gòu)如右圖所示 現(xiàn)在開始優(yōu)化結(jié)構(gòu) 選擇File SaveProject 然后Window CloseAll 在ProjectExplorer內(nèi) 打開 1x1 COonPd 110 文件夾內(nèi)的 1x1 COonPd 110 xsd 選擇CASTEP工具中的Calculation 計(jì)算步驟和計(jì)算的參數(shù)設(shè)置見下頁 按下Run按鈕 注意 Pd的結(jié)構(gòu)已優(yōu)化過 現(xiàn)在內(nèi)層原子被固定 僅其表面一層原子和CO再優(yōu)化 優(yōu)化 優(yōu)化結(jié)束 1x1 COonPd 110 文件夾中有了新文件夾 1x1 COonPd 110 CASTEPGeomOpt 其中的 1x1 COonPd 110 xsd就是優(yōu)化的結(jié)果 File saveprojectWindow Closeall 2 定義分子片斷點(diǎn)擊選上碳原子 按下SHIFT鍵 點(diǎn)擊氧原子 在EditSets對話框里 點(diǎn)擊New 在DefineNewSet對話框里 輸入CODensityDifference 按下OK 打開 1x1 COonPd 110 1x1 COonPd 110 CASTEPGeomOpt文件夾里的 1x1 COonPd 110 xsd文件 2 定義分子片斷 要計(jì)算片斷的電荷密度差 必須首先定義片斷 使用EditSets選項(xiàng)來執(zhí)行 首先建立一個(gè)含有碳原子和氧原子的片斷 選擇菜單欄里的Edit Editsets 1 1 1 1 點(diǎn)擊選上碳原子 按下SHIFT鍵 點(diǎn)擊氧原子 在EditSets對話框里 點(diǎn)擊New 在DefineNewSet對話框里 輸入CODensityDifference 按下OK 注意在模型 1x1 COonPd 110 xsd中的CO分子現(xiàn)在是加亮的 并且被標(biāo)記為剛才設(shè)定的名稱 不必定義Pd表面 因?yàn)镃ASTEP會自動(dòng)假設(shè)剩下的原子在計(jì)算電荷密度差別的時(shí)候是排除在考慮之外的 關(guān)閉EditSets對話框 在結(jié)構(gòu)外的任一處單擊左鍵 取消原子選擇 屬于組的原子被一個(gè)網(wǎng)罩著 這個(gè)網(wǎng)可以被移走 點(diǎn)擊該網(wǎng) 選上該組 在PropertiesExplorer內(nèi) 把Filter的值設(shè)為Set 在Set的性質(zhì)列表里有一項(xiàng)叫做IsVisible 雙擊IsVisible 在EditIsVisible對話框中選擇No False 按下OK 設(shè)定的組不在被網(wǎng)罩著 Tip 在3DViewer上單擊左鍵 取消原子選擇 用鼠標(biāo)選擇CODensityDifference 然后按下DELETE鍵就可以刪除掉網(wǎng)罩 最后 在計(jì)算之前 一定要把結(jié)構(gòu)的對稱性重新設(shè)定為P1 選擇菜單欄里的Build Symmetry MakeP1 2 運(yùn)行計(jì)算 選擇工具條中的CASTEP 然后選擇其上的Calculation CASTEP的對話框如右圖所示 由于已經(jīng)對體系運(yùn)行過幾何優(yōu)化 所以現(xiàn)在只需要對體系執(zhí)行單點(diǎn)能計(jì)算以得到電荷密度的變化 把Task的內(nèi)容改為Energy 選擇Properties標(biāo)簽欄 勾選上其上的Electrondensitydifference 勾選上Bothatomicdensitiesandsetsofatoms 確認(rèn)沒有選上其他的性質(zhì) 按下Run按鈕 然后按 任務(wù)被提交 計(jì)算開始 等待任務(wù)完成 任務(wù)完成時(shí) 保存任務(wù) 選擇File SaveProject 3 顯示片斷的電荷密度差別當(dāng)計(jì)算結(jié)束的時(shí)候 可以讓電荷密度差顯示出來 之前關(guān)閉所有窗口 選擇菜單欄里的Window CloseAll 現(xiàn)在打開剛才運(yùn)行的任務(wù)的輸出結(jié)構(gòu)文件 打開 1x1 COonPd 110 CASTEPEnergy文件夾內(nèi)的 1x1 COonPd 110 xsd文件 選擇CASTEP工具和其上的Analysis 選擇Electrondensitydifference 勾選上Viewisosurface 取消選擇Useatomicdensities 按下Import按鈕 Tip 當(dāng)選擇Useatomicdensities的時(shí)候 電荷密度差就根據(jù)原子來計(jì)算 不選擇Useatomicdensities的時(shí)候 電荷密度差是根據(jù)片斷計(jì)算的 不同電荷密度的等密度面以0 1electrons 3差值顯示出來 現(xiàn)在需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)在化學(xué)上更有用的等密度面 右擊文件 選擇DisplayStyle 在DisplayStyle對話框里 選擇Isosurface標(biāo)簽 把Iso value的值設(shè)為0 05并選上 這個(gè)操作同時(shí)顯示了兩個(gè)等密度面 一個(gè)是藍(lán)色的 差值為0 05 另一個(gè)是黃色的 差值為 0 05 藍(lán)色區(qū)域顯示了電子密度是增加的 相反 黃色區(qū)域是減少的 通過顯示電子密度的二維切片可以進(jìn)一步地看到成鍵的變化 可以用VolumeVisualization工具條來執(zhí)行 用鼠標(biāo)點(diǎn)擊選中其中一個(gè)等密度面 按下DELETE鍵 Tip 等密度面的可視性也是可以操控的 選擇菜單欄里的View Toolbars VolumeVisualization 現(xiàn)在用CreateSlices工具來創(chuàng)建二維切片 用鼠標(biāo)點(diǎn)擊選中其中一個(gè)等密度面 按下DELETE鍵 Tip 等密度面的可視性也是