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adf:dielec2019

极化率、聚合物介电常数的计算

软件版本为AMS2019.3及之前的版本,AMS2020以后的版本请参考链接:极化率、聚合物介电常数的计算

计算思路:截取聚合物的多个重复单元(原则上单元数越多,计算结果越可靠)通过恰当的加H饱和,使用ADF模块计算该分子其极化率,然后使用Clausius Mosotti方程,结合聚合物的密度,以及改分子的分子量,得到介电常数信息:

极化率与介电常数的关系.jpg

其中,

  • 材料密度ρ单位为g/m3
  • 阿伏伽德罗常数NA:6.02E+23 mol-1
  • ADF得到的极化率是原子单位,需要乘以1.64877727436E-41,才得到得到国际单位制介电常数,单位为C2m2J-1
  • M单位为 g/mol
  • 真空介电常数8.854187817E-12 F/m
  • 该公式使用上述单位后,等号右侧单位正好互相抵消,变为无量纲值,为了方便我们命名为A

得到上图中等式右边的无量纲值A后,εr=(1+2A)/(1-A),得到介电常数。但Clausius Mosotti方程只适用于没有强极性键的体系。

这里以聚苯乙烯为例说明。极化率计算文件下载(点击链接)

计算参数设置

  • 不同泛函对结果影响很小,甚至GGA与杂化泛函之间,影响也很小,因此这里选择了计算量较小的GGA-PBE
  • 基组影响也较小,因此选择基本精度基组DZP。较重的元素可以选择TZP
  • 计算了0.1eV~0.5eV之间3个频率的电场。其中频率与能量的变换关系是使用光子能量计算公式E=hγ。因为理论上无法计算静电场的极化,因此使用低频极限,也就是关心接近0.1eV甚至趋近于0.0eV的电场的极化率,通过计算可以发现0.1~0.5eV之间变化很小。所以,数据外推,认为0.0eV时极化率也是该数值。

结果处理

在out文件中搜索“ Isotropic POLARIZABILITY”,这里计算了3种频率的电场,因此选取第一个即可:

 Isotropic        POLARIZABILITY   =      658.38     atomic units

这就是Clausius Mosotti方程中的α。聚苯乙烯密度为$1.05×10^6g/m^3$,上面选取的分子式为C63H64,分子量为658,因此摩尔质量为658g/mol。因此得到A=0.315。进一步得到εr=(1+2A)/(1-A)=2.38。实验值为2.2。

作为测试,类似计算了聚甲醛、聚乙烯,聚乙烯计算文件下载(点击)聚甲醛计算文件下载(点击),二者的计算值与实验值对比:2.99 vs. 3.10、2.45 vs. 2.30。作为案例,也计算了聚四氟乙烯,但是误差较大,实验值为2.6,计算值为1.8左右。有可能是因为C-F键极性太强所致。

以上,仅供参考。

adf/dielec2019.txt · 最后更改: 2022/11/18 11:31 由 liu.jun

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