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ASE原子模擬環境入門之納米顆粒

來源：時間：2022-12-16 16:42:25 瀏覽：3627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。

構建和優化納米顆粒

ase.cluster.Octahedron()，除了可生成嚴格的八面體納米粒子外，它還提供了一個cutoff關鍵字來切割八面體的角。這就產生了“截短的八面體”，這是納米粒子中一個眾所周知的結構基序。此外，晶格將與銀的大塊FCC結構一致。

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

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

基態

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

我們設置了一些參數來節省時間，因為這僅是范例計算。我們想要一個更小的基集，也想要一個比正常情況下電子更少的PAW數據集。我們還想使用費米彌散函數，因為在費米能級附近可能有多個電子態:


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的關鍵字——如果使用其他代碼，這些變量將有其他名稱。

練習：使用GPAW運行一個優化過的Ag55 顆粒的單點計算。

計算之后，將基態存儲到文件中：

calc.write('groundstate.gpw')

態密度

一旦我們保存了.gpw文件，我們可以用它寫一個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()

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

練習：使用matplotlib畫出DOS，并標出費米能級。

練習：觀察這個DOS圖，它應該被理解為離散的還是連續的？

這張圖應該告訴我們，已經有55個原子，大量的d電子已經形成一個連續的帶(回想一下，我們使用的是0.1 eV高斯展寬)。與此同時，少數s電子的能量在更大范圍內離散分布，我們清楚地看到孤立的峰值：s態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，所以費米能級位于這些s態之間。電子數不同的團簇可能具有更高或更低的費米能級，這強烈地影響了它們的反應性。我們可以推測，在55個原子時，獨立Ag納米粒子的性質可能強烈地依賴于大小。

上述分析是推測性的。為了驗證這個分析，我們需要計算s、p和d軌道的投影DOS，看看我們的假設是否正確。

練習答案

優化立方八面體：

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)

計算基態：

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()

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