从分子动力学轨迹生成红外谱FT-IR

基于AMS的分子动力学，可以采用ReaxFF、机器学习力场、GFNFF，也可以采用DFTB或者BAND（即DFT）进行。参数设置方面，除了各个计算引擎本身的参数设置外，其他参数设置、结果分析方法是完全一样的。

本文以DFTB为例，进行演示。为了更明显的展示其中包含的倍频效应，我们采用了双原子分子HCl。因为双原子分子采用常规的谐振近似计算IR谱，将会只有一个峰。

更详细的介绍，请参考英文视频（含字幕）：https://www.bilibili.com/video/BV1uo4y1M7r2

改作业优化并计算IR。后面我们采用完全相同的参数（GFN1-xTB）进行分子动力学计算，便于对比FT-IR的结果与常规谐振近似的结果。保存并运行作业完毕后，SCM → Spectra查看IR谱：

可以看到只有一个峰，位于2828cm$^{-1}$

分子动力学参数如下： 需要注意：

• 步长足够长，前面能量不稳定的部分时间段，例如前3000步，在分析的时候是不使用的（当然对本例而言，体系非常简单，实际上能量从开始就很稳定的振荡，从100步后开始分析也是可以的）
• 步长不能太长
• 保存轨迹的频率必须为1
• 因为只有一个分子，如果分子本身处于平衡位置，则热振动很难激发，因此我们将H-Cl键长缩短，原子初始速度设置为0，这样有了一个初始的弹力而产生初始振动
• 不设置任何限制条件，例如动量守恒、角动量守恒、质心守恒，让轨迹真正连续、干净，使用NVE系综也是为了这个目的，因为NVT、NPT系综都会在一定步数之后对体系进行调整，以使得体系不偏离系综条件，导致轨迹实际上不纯净

保存作业，并运行完成。

作业运行完毕后，SCM → Movie → MD Properties → Autocorrelation Function：

其中

• 前3000帧的数据丢弃不用，因此采用3000到30000步之间的数据
• Max ACF Frame一般建议设置到10000，或步数的一半（对本例一半是之27000/2）

Generate ACF后将生成很多曲线，可以删除，只保留如下图所示的曲线窗口：

局部放大，可以看到，基频数值有所变化，而且出现了倍频现象：

不过高倍频的强度逐渐衰减。

需要注意：由于这种光谱是通过偶极矩自相关函数的傅里叶变换，之后进行归一化，因此单位丢失了，只能定性比较。

1. 如果计算单分子的FT-IR，可能要考虑分子本身如果处于平衡态，振动就无法完成，因此初始结构可以进行变形。
2. 如果计算多个分子，Periodicity应该设置为Bulk，且体系的密度可能不宜太低，否则分子间没有碰撞效应，振动谱也不完善。先压缩，然后放松也许是一个不错的选择。
3. 本例是以DFTB中的GFN1-xTB为例，其他方法，例如ADF、BAND，除了Main（每种方法本身的参数设置窗口）外，其他参数完全一致，共用同样的GUI。