• 关键词：反应力场训练集，表面吸附，多力场组合
• 软件版本：AMS 2024.101以上
• 注意：本文是关于ParAMS训练ReaxFF的第二篇教程，在学习本例之前，应先学习第一篇教程

这个例子通过固体界面ZnS（110）反应作为训练集，展示如何将AMS 中的几个不同的ReaxFF力场组合，得到一个新力场的很好起点（注意：永远不可能通过组合不同力场得到一个不需要训练的新力场，组合出来的新力场一定是缺参数未优化的），进行训练的方式。

关于与ReaxFF训练集建立和BAND、Quantum Espresso基本操作部分将不再赘述，详见相关模块的教程，以及ParAMS的第一篇教程

AMS中包含的ReaxFF力场覆盖了元素周期表的很大一部分，但仍然存在一些没有相互作用的参数。本教程的目标是，对ZnS表面上的H2S吸附进行模拟，但AMS不包括ZnS-ReaxFF力场。现有力场中，ZnOH.ff中的O元素与S元素行为方式非常相似，因此可以考虑直接将该力场中用得到的含O参数可以作为含S参数导入，然后结合LiS.ff和Mue2016.ff的一些参数:

• LiS.ff: 其中的原子参数ATM:S, 键参数BND:S.S,键角参数 ANG:S.S.S
• Mue2016.ff: 原子参数ATM:H, 键参数BND:S.H, 键角参数ANG:H.S.H

这两个力场中的这几个参数，显然比ZnOH.ff中的更好，因此将这几个参数合并进来，代替ZnOH.ff → ZnSH.ff后的对应参数。

SCM → ParAMS → Parameter → ReaxFF，得到一个如下图所示，0值的ReaxFF力场参数的Gen部分（Gen是General的缩写，这部分参数实际上就是力场的头部的37个通用参数，有2个not used没有导入）。 选中所有的空参数(黄色即为选中，注意不是勾选Active。选中第一条参数行，按住Shit键再选中最后一条参数行，则所有行都选中了)，Parameters → Initialize ReaxFF block → GEN from GEN:（不填入内容表示所有Gen属性的参数都需要初始化，因此如果需要初始化其他Block，则在此处类似输入Block名字即可） → 直接点击OK → 选择ZnOH.ff → OK，所有Gen这个Block的参数被ZnOH.ff对应的参数覆盖：

这里讲解如何导入包括原子参数ATM:S、键参数BND:S.S、键角参数ANG:S.S.S。

Parameters → Add ReaxFF block（新建一个新的Block），参考提示格式的样子，输入ATM:S,即新建硫的原子参数Block。此时下方增加了29个新的参数，Value为0，Block名为ATM（即Atom的缩写，表示是原子参数），Atoms这一栏显示是S原子。如下所示：

然后类似步骤2中的方式，从LiS.ff中导入S原子参数。然后类似地，创建键参数BND:S.S, 键角参数ANG:S.S.S，并从LiS.ff中导入。

注意：在这里，不要使用中文符号，会报错。也可一次性输入上述参数，中间用空格或英文的逗号隔开即可：ATM:S,BND:S.S,ANG:S.S.S。

和上面完全类似地，新建ATM:H BND:S.H ANG:H.S.H参数，并从Mue2016.ff力场导入。创建新的力场时，一定要把所有元素之间的键参数BND都新建出来，否则分子动力学模拟中会提示缺少键参数，但键角和二面角参数不需要所有元素之间都有，只需要模拟中涉及到的参数，注意键角和二面角参数有元素顺序要求，例如S-Zn-S，Zn为角顶点。

原因：

• 任何两个原子之间的相互作用力，是需要力场去描述的，不描述的话，相遇了，MD相互作用的过程就是错的，所以AMS严格检查键参数（Lammps不严格检查BND参数）。
• 只要原子和原子之间BND参数描述的很好，键角、二面角的参数缺失，一样能够较好地描述多个原子相遇时的情况，毕竟一个键角、二面角，也可以用几组原子距离（键长）来代替，例如一个键角，完全等价于3组距离。因此AMS并不严格检查键角、二面角参数缺失。

新建多个参数导入时，注意检查是不是所有参数都被选中了（主要看Block和Atoms那两列就能检查好）。

接下来新建：ATM:Zn, BND:H.H, BND:Zn.H, BND:Zn.Zn, BND:Zn.S, ANG:Zn.Zn.S, ANG:Zn.S.Zn, ANG:Zn.S.S, ANG:S.Zn.S，HBD:S.H.S，然后从ZnOH.ff导入。不过要注意：导入的时候将所有S替换成O（如下图所示），这样就会用O相关的参数导入作为S相关的对应参数，因为我们是将Zn-O作为Zn-S的初始参数。

以上整合了三个力场的参数，作为训练的起点。

File→Save保存作业，例如reaxff-zns.params。避免力场参数遗失，重新导入参数的麻烦。后面设置完具体训练方式后，再保存运行即可。

在本教程中，以下参数不优化：GEN,ATM,H-Zn和H-H等BND参数（训练集中无相关数据），ANG: S-S-S（训练集中无相关数据），参数为0的也不优化。

注意：对于不同体系大家应该思考如何选择优化的参数，以及为什么要优化该参数，否则会浪费大量时间精力，而且需要优化的参数空间太大时，结果的合理性也会受到影响。 对于需要优化的参数也可进行敏感度测试的准则，具体参考第一篇教程。本次优化参数包括：

可以利用窗口底部的搜索框功能，快速找到参数以供勾选，还可以结合Block和Category快速筛选以供勾选，如此将需要优化的参数勾选成Active状态。 勾选完毕后，Block选择All，Active下拉菜单去掉Show Non-active的勾选），仔细核对需要优化的参数类型和结果：

通常情况下，默认的参数变动范围是20%，在这里我们为了缩小参数优化空间，可选择8.3%。这个范围根据经验和体系不同可以变化，如果Error function很难收敛到理想的结果，可以适当放大参数空间，对于一些有物理意义的体系，一般参数范围不超过30%（例如键解离能D_e^sigma）。设置方法：首先将所有需要变化的参数选中（黄色高亮），Parameters → Adjust Min and Max → Range-Scale-1.2改为1.083 → OK，可以看到参数表中的Min、Max值发生了变化。 保存作业，防止丢失。

训练集是训练所依靠的数据，验证集则是另一批完全不同的数据，与训练集没有交集更好，训练完成之后，如果对验证集来测试（软件自动完成测试，并得到点线图）也得到不错的符合度，就表示训练比较成功。

计算晶体的生成焓和状态方程（Equation of States）,即拉伸压缩晶胞体积得到的能量变化的曲线。 可以从AMS中直接搜到部分晶体结构，如果没有你需要的结构晶体结构可从文献和数据库（例如Material Project）中寻找，注意选择正确的晶型结构。 这里使用BAND(或Quantum Espresso）模进行势能面扫描，参数设置如下（BAND的参数设置、Quantum Espresso的势能面扫描参考相关教程：晶体、低维材料：BAND & Quantum Espresso） 点击PES Scan后面的 > 按钮进入Geometry Constraints and PES Scan设置面板设置详细的势能面扫描参数：点击Cell Volume前的+，设置Volume的Scale范围为0.9到1.1，SC-1中设置扫描的点数为21，我们晶胞体积为39.6Å3，那么变化范围从35.64到43.56。

保存作业，并运行。计算完成后SCM → Movie中可以看到状态方程曲线，即能量随体积压缩的结果：

回到前面的ParAMS界面，如果界面关闭了，重新打开打开reaxff-zns.params这个作业就可以了。 Jobs → Add Job选则刚刚计算的状态方程的作业的*results/ams.rkf: 导入训练集的对话框：Use Results Importer选择Add PES Scan Single Point，Task（for new job）选择Single Point，Properties中选择Relative energy。

其中Add PES Scan Single Point与Add Single Job的区别是，前者会将PES中收敛的每个点当作一个单独的单点计算导入为Job，后者则是将PES作为整个特征数据导入成为训练集。

注意：

Job本身不是训练集，但Job中包含的一些数据可以成为训练集。训练集中的数据类型，可以点击顶部右侧第一个下拉菜单Type看到，从Energy、PES……到Cell angle为训练集的数据类型。每个Job的能量特征等，可以导入到训练集（下文中可以看到如何操作）。真正的训练集，点击在窗口顶部右侧的Training Set按钮可以看到训练集列表。

使用ADF或BAND、Quantum Espresso，做一个对H2S进行结构优化的作业，然后Jobs → Add Job导入。注意导入时，选择任务类型和导入的性质，可以根据具体希望导入的结果调整。例如，如果导入是解离曲线和能量、电荷或者力等输入，TASK中选择Single Point，如果是希望导入结构参数（键长键角等），则选择Geometry Optimization, Property中空置。

此处我们将气相的训练集结果输入导入：

导入该结构优化的训练集后，如果需要额外添加键长、键角、二面角等结构数据。如上图所示，窗口右上部分中，选中该Job。如果要添加键长数据，左边窗口选中S原子和O原子，Training Set → Add → Bonds即可添加S-O键长数据。如果没有选中制定原子，则添加所有键长数据。类似地可以添加键角、二面角等数据。

File → Save保存作业。

用户可以自行尝试ZnS(110)切面吸附等，并类似地导入训练集。如何切面、进行吸附能和表面能计算，大家可以查阅相关教程：晶体、低维材料：BAND & Quantum Espresso

注意：计算训练集作业和参数优化ParAMS是不同的界面，不要混为一谈。也不要重复开启多个ParAMS，否则之前生成的初始力场、导入的训练集，在新建的ParAMS窗口就都没有了。

上述部分我们介绍了如何建立新的力场参数，如何计算训练集，并导入到ParAMS中，接下来的部分我们将介绍如何进行参数优化。作为教程，这里我们使用例子$AMSHOME/scripting/scm/params/examples/ZnS_ReaxFF中现成的训练集进行演示，例子的训练集存储在*.yaml文件中。前面我们保存作业时，也会生成这些*.yaml文件，您可以打开保存的作业的*..params文件夹对比一下。

SCM → ParAMS → File → Open 打开其中的job_collection.yaml文件。就得到了正常的训练集、力场初始参数、训练方法与参数设置的窗口。

注意：图中有的训练集例如Energy条目，显示为两个结构的能量差，选中这种条目，在左边模型窗口，用键盘←、→可以看到2个结构。

保存作业，并运行。

下面是运行结果，其中第一个图是Loss function（包括训练集和验证集），所谓训练集就是我们进行拟合力场参数所参考、依赖的数据，我们可以看到两者的误差函数均随着拟合过程呈现下降趋势，说明我们拟合的参数合理，即使不在训练集中的情况也描述的很好（Validation loss，验证集）。第二个图是力的平均偏差，第三个图是力的偏差值。通过选择不同的图像，可以查看我们的训练集结果，例如电荷，键解离曲线，能量等相关数据，具体文件位置等可以查看上一个教程。

感谢苏州大学刘越老师整理资料。