Ex67 H$_2$O在Cu(111)表面上的吸附能

前面我们搭建了十二个H$_2$O的初始吸附构型。为了获取最稳定的结构,我们需要将这些可能的结构都优化一遍,然后通过吸附能来判断。但是这12个结构,我们都要优化的话,需要很多的机时,尤其是对于那些不太富裕的课题组来说,计算量着实不小。那么我们应该怎么办呢? 回顾:

  • 1)前面几节我们讲的通过简化模型来加快计算的步骤
  • 2)谁偷了我的机时系列。

这里我们可以选择的办法有N个:主要是这两个:1) 减小K点; 2)减小模型。

1) 减小K点的做法

  • i)固定住所有的表面原子(H$_2$O分子除外)
  • ii)使用gamma点进行计算

2) 减小模型的做法

  • i)删去底部的2层原子
  • ii)固定表层的所有原子
  • iii)正常优化进行计算

3) 也可以前面两个方法结合起来进行操作

不管你使用上面什么方法,简化模型这一步的主要目的就是在最快的时间,获取一个最理想的初始构型。当你的初始构型很多的时候,这种办法非常适合作为一个初始的筛选步骤。

师兄,为什么不通过ENCUT来减小计算量?

答:完全可以,只是本人不经常用这种办法而已。个人偏好将INCAR保持不变,以避免ENCUT不同所导致的计算结果错误。


1. H$_2$O 吸附构型的第一步筛选:

这里,大师兄采用的是前面提到的第一个办法,即固定住表面,采用gamma点,然后优化H$_2$O。

  • 1) 准备INCAR,KPOINTS(1x1x1);

  • 2) 批量固定表面:

    1
    sed -i '10,27s/T/F/g'  */*/POSCAR
  • 3) 将准备好的INCAR和KPOINTS批量复制到各个文件夹中:

    1
    for i in */*; do cp INCAR KPOINTS $i ; done
  • 4) 批量提交任务qsuball.sh


任务结束后,首先查看一下能量信息:

1
for i in */*; do echo $i $(grep '  without' $i/OUTCAR | tail -n 1| awk '{print $7}') ; done

上图,我们发现能量数值相近的差不多,这表明它们很可能是同一个结构。我们把数值sort一下,如下图:

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for i in */*; do echo $i $(grep '  without' $i/OUTCAR | tail -n 1| awk '{print $7}') ; done | sort -k 2


通过使用p4vasp 批量查看:(p4v //CONTCAR) 你会发现能量为-145.56XXX的都是H$_2$O平行吸附在Cu表面,O在Cu的top位上。


而剩下的,就只有两种结构了:

  • 结构1) type_3/bri 为V型吸附,O在桥式位置上。

  • 结构2)type_3/top为V型结构,O在top位置上。

2. 进一步优化

到现在位置,前面的12个初始结构,可以快速的被筛选成了3个。将这三个结构复制step2的文件夹中。在此基础上,开始正常计算:

  • 1) 将CONTCAR批量复制成POSCAR:

    1
    for i in *; do mv $i/CONTCAR $i/POSCAR ; done
  • 2) KPOINTS变回原来的(4x4x1): sed 批量操作

  • 3) 表面两层原子放开: sed 批量操作

  • 4) 默背一遍提交任务的几个输入文件:INCAR,KPOINTS,POSCAR,POTCAR,脚本,集中注意力思考是否还有没有考虑到的参数或者细节,确保无误后

  • 5) 批量提交任务: qsuball.sh

  • 6)等待结束,查看结果

你会发现两个top的能量也一样了,说明这两个结构很可能优化到一块去了。查看后发现都是平行吸附的结构了。

  • 7) 结构细节:化学上,我们对键长,键角这些信息一定不要放过。测量一下Cu—O 的距离,为: 2.343 $\AA$。

  • 8) 计算吸附能:

与本人4年前的计算结果(-0.17 eV)相差0.01 eV。ACS Catal., 2015, 5, 1027-1036: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cs501698w

本人发表文章支持信息里面的数据。

☆☆☆注意1:

这里吸附能计算的时候,我们取的是最稳定的结构。文献里面提到的也通常是作者所找到的稳定结构。当然,对于不稳定的结构,吸附能也就是顺带的事情了。写在文章里面的话,要标明什么结构对应的吸附能是多少。

☆☆☆注意2:

分子在表面上是物理吸附?还是化学吸附? 通过计算出来的吸附能你应该会判断。如果不知道的话,那么就需要多多翻阅物化书了。


3. 扩展练习:

  • 1) 根据结构和吸附能判断我们的计算结果是不是对的?
  • 2) 查找其他相关文献,将自己的计算结果与文献的进行对比。
  • 3) Step1中12个计算,以及step2中的3个计算,结构和输入文件已经打包,下载链接:https://pan.baidu.com/s/1iyS_nzhI-MuJykabI6rj1w

4. 总结:

通过本节,你应该学会的知识有:

  • 1) 学会如何通过降低工作量来快速筛选不同的初始结构,并最终获取稳定的构型。
  • 2) 巩固和加深对批量操作的理解。
  • 3) 对于更加复杂的结构,其吸附能的基本计算流程要掌握。