中科大MaterialsStudio培訓(xùn)教程7請(qǐng)將這一系列全看完行業(yè)研究

1、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：materials visualizer，castep前提： co 吸附在 pd(110) 表面背景 本講義將研究相對(duì)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： = copd(110) - (

2、co + pd(110)式中copd(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： = copd(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(huì)選擇在哪里吸附？分子為什么會(huì)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？you will focus on one adsorption site: the sh

3、ort bridge site you studied in the tutorial adsorption of co onto a pd(110) surface. example:pd(110)面上的co 分子電荷密度變化1谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)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 co on pd(110) 結(jié)構(gòu)。(1)準(zhǔn)備項(xiàng)目準(zhǔn)備項(xiàng)目在d

4、或e盤中建立class 5文件夾。運(yùn)行ms，在class 5中建立名為pd_co 的project。 2 1 5 4 32谷風(fēng)優(yōu)質(zhì) 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project explorer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new folder上右鍵單擊，選擇rename，鍵入pd bulk。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) co on pd(110)。(2) 建立pd晶體，結(jié)構(gòu)優(yōu)化 materials studio所提供的結(jié)構(gòu)庫中包含有pd的晶體結(jié)構(gòu)。在project explore

5、r中，右鍵單擊pd bulk文件夾并且選擇import.，從structures / metals / pure-metals中導(dǎo)入pd.msi。 1 2 343谷風(fēng)優(yōu)質(zhì) 5 6 7 顯示出bulk pd的結(jié)構(gòu)，我們把顯示方式改為ball and stick。在pd 3d model document中右鍵單擊，選擇display style，在atoms標(biāo)簽中選擇ball and stick，關(guān)閉對(duì)話框。 現(xiàn)在使用castep來優(yōu)化bulk pd。為了減少計(jì)算量，將晶胞轉(zhuǎn)換為原胞。 4谷風(fēng)優(yōu)質(zhì) 從工具欄中選擇castep ，再選擇calculation或菜單欄中選擇modules | cas

6、tep | calculation。把task從energy改為geometry optimization，按下more.按鈕，在 castep geometry optimization對(duì)話框中選中optimize cell選項(xiàng)。設(shè)定本地機(jī)運(yùn)行，按下run鍵。 5谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)工作遞交后，開始運(yùn)行。結(jié)束后出現(xiàn)提示工作遞交后，開始運(yùn)行。結(jié)束后出現(xiàn)提示信息。信息。選擇file / save project保存項(xiàng)目，window / close all關(guān)閉工作窗口 。在project explorer中打開位于pd castep geomopt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

7、面步驟恢復(fù)pd優(yōu)化后的晶胞結(jié)構(gòu)。6谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)在左側(cè)的properties中選擇lattice 3d，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 / save project保存項(xiàng)目保存項(xiàng)目window / close all關(guān)閉工作窗口關(guān)閉工作窗口 7谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)(3) 構(gòu)建pd(110)表面 本部分需要使用來自pd bulk 部分的優(yōu)化后的pd 結(jié)構(gòu)。 打開pd bulk/pd castep geomopt 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 | surf

8、aces / cleave surface。把cleave plane (h k l) 從(-1 0 0) 改為(1 1 0)，按下tab 鍵。把fractional thickness 提高至1.5。按下cleave 按鈕，關(guān)閉此對(duì)話框。8谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)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vacuum slab 工具得到。 選擇build / crystals / vacuum slab。把vacuum thickness 的值從10.00 改為8.00，注意c軸的方向，按下build按鈕。 注意真

9、空層的方向在oc9谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)真空層結(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。oabc10谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)這樣調(diào)整了方向，oc沿z軸方向。右擊3d 模型，選擇lattice parameters，選擇advanced 標(biāo)簽，按下reorient to standard 按鈕，關(guān)閉此對(duì)話框。11谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)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display style。選擇lattice 標(biāo)簽。在display style 部分，把style 由default改為original

10、。關(guān)閉對(duì)話框，3d 結(jié)構(gòu)改變?nèi)缦拢?2谷風(fēng)優(yōu)質(zhì) 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fix fractional position，關(guān)閉此對(duì)話框。13谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)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display style。在atom 標(biāo)簽欄上的coloring 區(qū)域，把顏色選項(xiàng)改為co

11、nstraint?，F(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(duì)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。14谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)選擇工具條中的file | save as.。瀏覽到(1x1) co on pd(110)文件夾，把文件名改為(1x1) co on pd(110)，按下save 按鈕。選擇file | saveproject，然后then window | close all。15谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)(4). 把co 分子添加到1 x 1 pd(110)表面并優(yōu)化此結(jié)構(gòu) 現(xiàn)在的工作對(duì)象是(1x1) co on pd(110)文件夾內(nèi)的結(jié)構(gòu)。在project

12、 explorer 內(nèi)，打開(1x1) co on pd(110)文件夾內(nèi)的(1x1) co on pd(110).xsd 文件?，F(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 / add atoms，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，從菜單欄選擇如果新加的原子沒有球狀顯示，從菜單欄選擇view / display style

13、 / ball and stick16谷風(fēng)優(yōu)質(zhì) 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add atoms 對(duì)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(duì)話框。17谷風(fēng)優(yōu)質(zhì) pd 的起始對(duì)稱性是p1，但是

14、隨著co 分子的引入發(fā)生了改變。 可以通過運(yùn)用find symmetry工具找到并加上對(duì)稱性。 選擇工具條上的find symmetry 工具，按下find symmetry 按鈕，然后按下impose symmetry按鈕?，F(xiàn)在的對(duì)稱性是pmm2。 右擊3d 模型文件，選擇display style。選擇lattice 標(biāo)簽，把style 改為default?，F(xiàn)在結(jié)構(gòu)如右圖所示：18谷風(fēng)優(yōu)質(zhì) 現(xiàn)在開始優(yōu)化結(jié)構(gòu)。選擇file / save project，然后window / close all。在project explorer 內(nèi)，打開(1x1)co on pd(110)文件夾內(nèi)的(1x1

15、)co on pd(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 。 19谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)優(yōu)化20谷風(fēng)優(yōu)質(zhì) 優(yōu)化結(jié)束，優(yōu)化結(jié)束， (1x1)co on pd(110)文件夾中有了新文件夾文件夾中有了新文件夾 (1x1)co on pd(110) castep geomopt。其中的。其中的(1x1)co on pd(110).xsd就是優(yōu)化就是優(yōu)化的結(jié)果。的結(jié)果。file / save project window / close all21谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)2

16、. 2. 定義分子片斷定義分子片斷點(diǎn)擊選上碳原子，按下點(diǎn)擊選上碳原子，按下shift shift 鍵，點(diǎn)擊氧原子。鍵，點(diǎn)擊氧原子。在在edit sets edit sets 對(duì)話框里，點(diǎn)擊對(duì)話框里，點(diǎn)擊newnew。在。在define new set define new set 對(duì)話框里，輸入對(duì)話框里，輸入co co densitydifferencedensitydifference，按下按下okok。22谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)打開打開(1x1) co on pd(110)(1x1) co on pd (1 1 0) castep geomopt 文件夾里的文件夾里的 (1x1) co onpd(110

17、).xsd 文件。文件。2. 定義分子片斷定義分子片斷 要計(jì)算片斷的電荷密度要計(jì)算片斷的電荷密度差，必須首先定義片斷。使差，必須首先定義片斷。使用用edit sets 選項(xiàng)來執(zhí)行。選項(xiàng)來執(zhí)行。首先建立一個(gè)含有碳原子和首先建立一個(gè)含有碳原子和氧原子的片斷。氧原子的片斷。 選擇菜單欄里的選擇菜單欄里的edit / edit sets。23谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)1111點(diǎn)擊選上碳原子，按下shift 鍵，點(diǎn)擊氧原子。在edit sets 對(duì)話框里，點(diǎn)擊new。在define new set 對(duì)話框里，輸入co densitydifference，按下ok。 注意在模型(1x1) co on pd (1 1 0).

18、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)閏astep 會(huì)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edit sets 對(duì)話框。24谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)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properties explorer 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edit isvisible 對(duì)話框中選擇no / false。按下ok。設(shè)定的組不在被網(wǎng)罩著。25谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)tip：在3d v

19、iewer上單擊左鍵，取消原子選擇。用鼠標(biāo)選擇co densitydifference，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(duì)稱性重新設(shè)定為p1。 選擇菜單欄里的build / symmetry / make p1。26谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)2. 2. 運(yùn)行計(jì)算運(yùn)行計(jì)算 選擇工具條中的castep，然后選擇其上的calculation 。 castep 的對(duì)話框如右圖所示： 由于已經(jīng)對(duì)體系運(yùn)行過幾何優(yōu)化，所以現(xiàn)在只需要對(duì)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。27谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)選擇properties 標(biāo)簽欄，勾選上其上的electro

20、n density difference。勾選上both atomic densitiesand sets of atoms。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 | save project。28谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)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 | close all。 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) co on pd (1 1 0) castep energy 文件夾內(nèi)的(1x1) co on pd (1

21、1 0).xsd 文件。 選擇castep 工具和其上的analysis。選擇electron density difference。勾選上view isosurface，取消選擇use atomic densities。按下import 按鈕。tip.：當(dāng)選擇use atomic densities 的時(shí)候，電荷密度差就根據(jù)原子來計(jì)算；不選擇use atomic densities 的時(shí)候，電荷密度差是根據(jù)片斷計(jì)算的。29谷風(fēng)優(yōu)質(zhì) 不同電荷密度的等密度面以0.1 electrons / 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display style。

22、在display style 對(duì)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。30谷風(fēng)優(yōu)質(zhì)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?？梢杂胿olume visualization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 | volume visualization。現(xiàn)在用create slices 工具來創(chuàng)建二維切片。用鼠