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ASE原子模擬環(huán)境入門之納米顆粒

來源：時(shí)間：2022-12-16 16:42:25 瀏覽：3716次

ASE提供模塊 ase.cluster，用于建立具有普通晶體形式的金屬納米粒子。

構(gòu)建和優(yōu)化納米顆粒

ase.cluster.Octahedron()，除了可生成嚴(yán)格的八面體納米粒子外，它還提供了一個(gè)cutoff關(guān)鍵字來切割八面體的角。這就產(chǎn)生了“截短的八面體”，這是納米粒子中一個(gè)眾所周知的結(jié)構(gòu)基序。此外，晶格將與銀的大塊FCC結(jié)構(gòu)一致。

練習(xí)：嘗試使用ase.cluster.Octahedron()來制造不同形態(tài)的截短八面體。構(gòu)建一個(gè)含有55個(gè)原子的銀的14面體顆粒。像往常一樣，用ASE GUI來將它可視化。

ASE提供了一個(gè)基于有效介質(zhì)理論的力場代碼，ase.calculators.emt.EMT主攻FCC金屬(Cu, Ag, Au, Pt等)。這比DFT快得多，所以我們用它來優(yōu)化我們的立方體八面體。

基態(tài)

金屬納米粒子最有趣的問題之一是它們的電子結(jié)構(gòu)和其他性質(zhì)如何依賴于尺寸。一個(gè)小的納米粒子就像一個(gè)分子，只有幾個(gè)離散能級。一個(gè)大的納米顆粒則像塊體材料，具有連續(xù)的態(tài)密度。我們計(jì)算一下納米粒子的Kohn-Sham能譜(以及態(tài)密度)。

我們設(shè)置了一些參數(shù)來節(jié)省時(shí)間，因?yàn)檫@僅是范例計(jì)算。我們想要一個(gè)更小的基集，也想要一個(gè)比正常情況下電子更少的PAW數(shù)據(jù)集。我們還想使用費(fèi)米彌散函數(shù)，因?yàn)樵谫M(fèi)米能級附近可能有多個(gè)電子態(tài):


from gpaw import GPAW, FermiDirac
calc = GPAW(mode='lcao', basis='sz(dzp)', setups={'Ag': '11'},occupations=FermiDirac(0,1))

這里有一些特定于gpaw的關(guān)鍵字——如果使用其他代碼，這些變量將有其他名稱。

練習(xí)：使用GPAW運(yùn)行一個(gè)優(yōu)化過的Ag55 顆粒的單點(diǎn)計(jì)算。

計(jì)算之后，將基態(tài)存儲到文件中：

calc.write('groundstate.gpw')

態(tài)密度

一旦我們保存了.gpw文件，我們可以用它寫一個(gè)新的腳本來加載它并獲得DOS：

import matplotlib.pyplot as plt

from gpaw import GPAW

calc = GPAW('groundstate.gpw')

energies, dos = calc.get_dos(npts=500, width=0.1)

efermi = calc.get_fermi_level()

在這個(gè)例子中，我們對DOS進(jìn)行采樣的時(shí)候使用了0.1 eV的高斯展寬。你需要在圖中標(biāo)記費(fèi)米能級。一個(gè)好的方法是畫一條垂直線:plt.axvline(efermi)。

練習(xí)：使用matplotlib畫出DOS，并標(biāo)出費(fèi)米能級。

練習(xí)：觀察這個(gè)DOS圖，它應(yīng)該被理解為離散的還是連續(xù)的？

這張圖應(yīng)該告訴我們，已經(jīng)有55個(gè)原子，大量的d電子已經(jīng)形成一個(gè)連續(xù)的帶(回想一下，我們使用的是0.1 eV高斯展寬)。與此同時(shí)，少數(shù)s電子的能量在更大范圍內(nèi)離散分布，我們清楚地看到孤立的峰值：s態(tài)仍然清晰地量子化并有明顯的間隙。貴金屬Cu, Ag和Au的特征是，它們的d能帶被完全占據(jù)，所以費(fèi)米能級位于這些s態(tài)之間。電子數(shù)不同的團(tuán)簇可能具有更高或更低的費(fèi)米能級，這強(qiáng)烈地影響了它們的反應(yīng)性。我們可以推測，在55個(gè)原子時(shí)，獨(dú)立Ag納米粒子的性質(zhì)可能強(qiáng)烈地依賴于大小。

上述分析是推測性的。為了驗(yàn)證這個(gè)分析，我們需要計(jì)算s、p和d軌道的投影DOS，看看我們的假設(shè)是否正確。

練習(xí)答案

優(yōu)化立方八面體：

from ase.cluster import Octahedron

from ase.calculators.emt import EMT

from ase.optimize import BFGS

atoms = Octahedron('Ag', 5, cutoff=2)

atoms.calc = EMT()

opt = BFGS(atoms, trajectory='opt.traj')

opt.run(fmax=0.01)

計(jì)算基態(tài)：

from gpaw import GPAW, FermiDirac

from ase.io import read

atoms = read('opt.traj')

calc = GPAW(mode='lcao', basis='sz(dzp)', txt='gpaw.txt',

            occupations=FermiDirac(0.1),

            setups={'Ag': '11'})

atoms.calc = calc

atoms.center(vacuum=4.0)

atoms.get_potential_energy()

atoms.calc.write('groundstate.gpw')

畫DOS圖：

import matplotlib.pyplot as plt

from gpaw import GPAW

from ase.dft.dos import DOS

calc = GPAW('groundstate.gpw')

dos = DOS(calc, npts=800, width=0.1)

energies = dos.get_energies()

weights = dos.get_dos()

ax = plt.gca()

ax.plot(energies, weights)

ax.set_xlabel(r'$E - E_{\mathrm{Fermi}}$ [eV]')

ax.set_ylabel('DOS [1/eV]')

plt.savefig('dos.png')

plt.show()

計(jì)算狗·模擬計(jì)算

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