对于二维体系,BAND的效率高于同等精度的平面波程序,而一维体系比二维体系效率更高,几乎接近非周期性体系的计算效率。本文以二维材料为例演示计算过程,二维、三维材料过程完全类似。
另外,BAND可以处理真正的一、二维模型,一维材料(周期性设置为Main > Periodicity > Chain)外围为无限大真空,二维材料(周期性设置为Main > Periodicity > Slab)上下表面外,均为半无限大的真空,均无需人为添加“真空层”。
需要注意的是:BAND也可以像平面波方法那样,使用三维周期性边界条件,通过添加真空层来建立一、二维模型,但这既增大了计算量,又降低了精度。
这里,我们以H2分子在MoS2表面加氢过程为例。
第一步,通过势能面扫描,观察H2分子逐渐靠近MoS2中S原子的过程中,能量、结构的变化。实际上,这相当于做了一系列的限制性结构优化,限制的是S-H距离逐渐减小,其他原子自由地进行能量最小化。因此可以认为,如果限制条件设置得当,势能面扫描的过程,大致是沿着势能面中,反应物与产物之间,能量最低的“方向”前进的(我们这里有一个大前提,即只讨论单步反应。存在多步反应的情况,拆解为多个单步反应即可)。因此,扫描得到的势能面最高点,一般而言就在精确的过渡态结构(或者叫做势能面的鞍点)附近。接下来,则可以从将结构作为过渡态结构的初始猜测,去搜索精确的过渡态结构。
实际上也可以做两轮NEB,代替此处的势能面扫描,得到过渡态结构的初始猜测。NEB过程,参考:更高效的一维、二维材料过渡态搜索
第二步,计算该过渡态初始猜测结构的频率(只需要计算与反应相关的少数几个原子的频率即可),然后进行过渡态结构优化,得到真正精确的过渡态,也就是能量的一阶梯度趋近于0(默认阈值0.001)。
第三步,计算该结构,确认有且仅有一个虚频。
第四步,从虚频的振动模式(在产物倾向、反应物倾向之间振荡),分别提取往反应物和产物方向各偏移3帧的结构,分别进行结构优化,可以得到该过渡态结构对应的反应物、产物,从而确认该单步反应中间,不存在其他反应。
打开ADFinput,点击窗口中上方的“ADF”,切换到“BAND”,这样左边窗口就是一个具有周期性的模型了,只是默认没有将晶格常数显示出来而已。先创建一个MoS2模型,MoS2在系统自带的数据库里面有:
注意这个模型周期性已经自动设置为Slab了,上下表面外,是半无限大的真空。
我们可以点击窗口中下放的四个圈的按钮,这个按钮的作用,是切换材料的显示模式,在单周期显示/多周期显示切换。所以我们点击一下,看看切换成多周期显示后,是什么样子的,是不是沿着我们想要的方向(X、Y)方向周期性重复。当然本例中默认就是对对。
如果发现周期方向不正确,可以认为对设定一下二维材料沿着XY方向(按住shift键,选中三个原子,Edit > Align > with XY plane),这样这三个原子所在的平面就是XY平面了,二维材料沿着XY平面无限周期性重复。
原则上,二维需要结构优化后,才能进行后面的步骤,这里结构数据来自实验,我们选择性地跳过了这一步骤。
创建超胞的目的,是为了降低表面H2的吸附浓,否则默认一个原包吸附一个H2,浓度太高了。超胞越大,浓度越低,当然计算量越大。这里,我们以2*2超胞为例,因为这样浓度不至于过高,超胞也不太大,计算量也不大。
然后在MoS2上方,画一个H2分子即可。适当调整H2的位置,使得其尽量接近将要发生反应的位置,也就是过渡态偏离反应物一端。当然这需要一些实际经验来判断。