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ASE原子模拟环境入门之纳米颗粒

来源：时间：2022-12-16 16:42:25 浏览：2962次

ASE提供模块 ase.cluster，用于建立具有普通晶体形式的金属纳米粒子。

构建和优化纳米颗粒

ase.cluster.Octahedron()，除了可生成严格的八面体纳米粒子外，它还提供了一个cutoff关键字来切割八面体的角。这就产生了“截短的八面体”，这是纳米粒子中一个众所周知的结构基序。此外，晶格将与银的大块FCC结构一致。

练习：尝试使用ase.cluster.Octahedron()来制造不同形态的截短八面体。构建一个含有55个原子的银的14面体颗粒。像往常一样，用ASE GUI来将它可视化。

ASE提供了一个基于有效介质理论的力场代码，ase.calculators.emt.EMT主攻FCC金属(Cu, Ag, Au, Pt等)。这比DFT快得多，所以我们用它来优化我们的立方体八面体。

基态

金属纳米粒子最有趣的问题之一是它们的电子结构和其他性质如何依赖于尺寸。一个小的纳米粒子就像一个分子，只有几个离散能级。一个大的纳米颗粒则像块体材料，具有连续的态密度。我们计算一下纳米粒子的Kohn-Sham能谱(以及态密度)。

我们设置了一些参数来节省时间，因为这仅是范例计算。我们想要一个更小的基集，也想要一个比正常情况下电子更少的PAW数据集。我们还想使用费米弥散函数，因为在费米能级附近可能有多个电子态:


from gpaw import GPAW, FermiDirac
calc = GPAW(mode='lcao', basis='sz(dzp)', setups={'Ag': '11'},occupations=FermiDirac(0,1))

这里有一些特定于gpaw的关键字——如果使用其他代码，这些变量将有其他名称。

练习：使用GPAW运行一个优化过的Ag55 颗粒的单点计算。

计算之后，将基态存储到文件中：

calc.write('groundstate.gpw')

态密度

一旦我们保存了.gpw文件，我们可以用它写一个新的脚本来加载它并获得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()

在这个例子中，我们对DOS进行采样的时候使用了0.1 eV的高斯展宽。你需要在图中标记费米能级。一个好的方法是画一条垂直线:plt.axvline(efermi)。

练习：使用matplotlib画出DOS，并标出费米能级。

练习：观察这个DOS图，它应该被理解为离散的还是连续的？

这张图应该告诉我们，已经有55个原子，大量的d电子已经形成一个连续的带(回想一下，我们使用的是0.1 eV高斯展宽)。与此同时，少数s电子的能量在更大范围内离散分布，我们清楚地看到孤立的峰值：s态仍然清晰地量子化并有明显的间隙。贵金属Cu, Ag和Au的特征是，它们的d能带被完全占据，所以费米能级位于这些s态之间。电子数不同的团簇可能具有更高或更低的费米能级，这强烈地影响了它们的反应性。我们可以推测，在55个原子时，独立Ag纳米粒子的性质可能强烈地依赖于大小。

上述分析是推测性的。为了验证这个分析，我们需要计算s、p和d轨道的投影DOS，看看我们的假设是否正确。

练习答案

优化立方八面体：

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)

计算基态：

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')

画DOS图：

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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