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ASE原子模擬環(huán)境之計算氮分子在銅表面的吸附能
來源： 時間：2022-12-16 16:32:16 瀏覽：3619次

本節(jié)簡要(但不完整)地概述ASE可以做什么。我們將計算氮分子在銅表面的吸附能。這是通過計算單獨平板和單獨分子的總能量來實現(xiàn)的。然后將吸附劑加入板中并使其松弛，計算出該復合體系的總能量。吸附能為孤立能減去復合體系能量之和。這是重新平衡后的系統(tǒng)圖片:

 

請看下面的源碼：N2Cu.py




from ase import Atoms


from ase.calculators.emt import EMT


from ase.constraints import FixAtoms


from ase.optimize import QuasiNewton


from ase.build import fcc111, add_adsorbate


h = 1.85


d = 1.10


slab = fcc111('Cu', size=(4, 4, 2), vacuum=10.0)


slab.calc = EMT()


e_slab = slab.get_potential_energy()


molecule = Atoms('2N', positions=[(0., 0., 0.), (0., 0., d)])


molecule.calc = EMT()


e_N2 = molecule.get_potential_energy()


add_adsorbate(slab, molecule, h, 'ontop')


constraint = FixAtoms(mask=[a.symbol != 'N' for a in slab])


slab.set_constraint(constraint)


dyn = QuasiNewton(slab, trajectory='N2Cu.traj')


dyn.run(fmax=0.05)


print('Adsorption energy:', e_slab + e_N2 - slab.get_potential_energy())

假設在你的python和ASE的環(huán)境變量設置正確，運行源碼文件：




python N2Cu.py

下面我們對代碼進行講解。



Atoms


Atoms對象是原子的集合。下面是通過直接指定兩個氮原子的位置來定義N2分子:




>>> from ase import Atoms


>>> d = 1.10


>>> molecule = Atoms('2N', positions=[(0., 0., 0.), (0., 0., d)])

你還可以構(gòu)建晶體，例如使用晶體模塊來構(gòu)建回與常見晶體結(jié)構(gòu)對應的Atoms對象。讓我們做一個Cu(111)表面:

>>> from ase.build import fcc111
>>> slab = fcc111('Cu', size=(4,4,2), vacuum=10.0)


Calculators


ASE調(diào)用計算軟件可以使用ase.calculators，包括emt、Asap、Dacapo、GPAW、Abinit、Vasp等等。有關完整列表，請參見ASE主頁。

這里我們使用有效介質(zhì)理論(EMT)計算器，因為它非常快，因此對于入門非常有用。我們可以在之前創(chuàng)建的Atoms對象上附加一個計算器：




>>> from ase.calculators.emt import EMT


>>> slab.calc = EMT()


>>> molecule.calc = EMT()

使用Atoms類中的get_potential_energy()方法計算系統(tǒng)的總能量:

>>> e_slab = slab.get_potential_energy()
>>> e_N2 = molecule.get_potential_energy()




結(jié)構(gòu)優(yōu)化


利用QuasiNewton優(yōu)化器對吸附在銅表面的N2分子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。首先將吸附劑添加到銅板上，例如在頂部位置:

>>> h = 1.85
>>> add_adsorbate(slab, molecule, h, 'ontop')

為了加快弛豫速度，我們利用constraints模塊中的FixAtoms使銅原子固定。只有N2分子被允許弛豫到平衡結(jié)構(gòu):

>>> from ase.constraints import FixAtoms
>>> constraint = FixAtoms(mask=[a.symbol != 'N' for a in slab])
>>> slab.set_constraint(constraint)

現(xiàn)在將QuasiNewton優(yōu)化器應用到系統(tǒng)并保存軌跡文件。運行優(yōu)化器直到體系達到收斂標準，即所有原子上的力應小于某個fmax:

>>> from ase.optimize import QuasiNewton
>>> dyn = QuasiNewton(slab, trajectory='N2Cu.traj')
>>> dyn.run(fmax=0.05)




輸入-輸出


將原子位置寫入文件的過程是使用write()函數(shù)完成的:

>>> from ase.io import write
>>> write('slab.xyz', slab)

這將寫入一個xyz格式的文件。其他格式有：

格式描述
xyz簡單的xyz格式
cube高斯cube文件
pdb蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫文件
trajASE自有軌跡格式
pyPython腳本

從文件讀取這樣做：




>>> from ase.io import read


>>> slab_from_file = read('slab.xyz')

如果文件包含多個構(gòu)型，write()函數(shù)的默認寫入最后一個構(gòu)型。但是，我們可以通過以下方式加載特定的構(gòu)型:

>>> read('slab.traj')      # 最后一個構(gòu)型
>>> read('slab.traj', -1)  # 同上
>>> read('slab.traj', 0)   # 第一個構(gòu)型




可視化


可視化原子最簡單的方法是view()函數(shù)：




>>> from ase.visualize import view


>>> view(slab)

這將彈出一個ase.gui窗口。其他的可視化軟件可以通過指定可選關鍵字viewer=…-選擇使用'ase.gui',  ' gopenmol ', ' vmd '，或' rasmol  '中的一個。(注意，這些替代查看器不是ASE的一部分，需要由用戶單獨安裝。)VMD查看器可以采取一個可選的data參數(shù)來顯示三維數(shù)據(jù):

>>> view(slab, viewer='VMD', data=array)




分子動力學


我們看看一個使用VelocityVerlet進行分子動力學計算應用到氮氣分子上的例子。我們首先創(chuàng)建一個VelocityVerlet對象，給出它的分子和牛頓定律積分的時間步長。然后，我們通過調(diào)用它的run()方法來進行分子動力學計算，并給出要采取的步驟數(shù):

>>> from ase.md.verlet import VelocityVerlet
>>> from ase import units
>>> dyn = VelocityVerlet(molecule, dt=1.0 * units.fs)
>>> for i in range(10):
...     pot = molecule.get_potential_energy()
...     kin = molecule.get_kinetic_energy()
...     print('%2d: %.5f eV, %.5f eV, %.5f eV' % (i, pot + kin, pot, kin))
...     dyn.run(steps=20)


計算狗

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全部 3小時前 四川
文字是人類用符號記錄表達信息以傳之久遠的方式和工具?，F(xiàn)代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產(chǎn)生書面文字，很多小語種，有語言但沒有文字。文字的不同體現(xiàn)了國家和民族的書面表達的方式和思維不同。文字使人類進入有歷史記錄的文明社會。
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