Dmol、Castep的基本原理和参数设置.ppt

DMol3 基本原理和参数设置SCF(DFT)制备材料表征材料各种性能参数制备工艺结构能量电子波函数能带，态密度，电荷密度一阶导数应力，弹性力常数，体模量.二阶导数声子频率，散射谱H=E力场怎么使SCF收敛？如何使SCF的结果准确？DENSITY FUNCTIONAL THEORYWalter KohnHohenberg-Kohn theoremKohn-Sham equations Exact only for ground state Needs approximation to ExcKohn-Sham theorem基于基于DFT的自洽计算过程的自洽计算过程 生成KS势求解KS方程得到新nout(r)和之前的n(r)比较收敛与否?nstart(r)输出结果)()()(,2rrrnvkikikieffrrrrrrjej=+)(rnveffrDFT和磁学性能电荷密度依据电子自旋方向的不同，一分为二：自旋密度定义为:总的磁矩定义为:存在自旋极化的体系中，交换相关势也相应的变为不同自旋方向电荷密度的函数:PS：由于在自洽计算中需要分别考虑电荷密度和自旋密度的收敛，因此计算时间会延长，收敛难度会增加。Dmol3的基本原理和参数设置DMOL3:原子轨道线形组合法(LCAO)适合于分子、团簇、分子筛、分子晶体、聚合物等“开放类结构”Tips：对于空体积较大的晶体，使用DMol3的效率要高于CastepRcut周期性和非周期性体系Radial portion atomic DFT eqs.numericallyAngular Portion 在DMol3模块中，电子密度实际上由各个原子轨道的平方和来确定：在这里，电子密度实际上是由所有占据的分子轨道i.来决定。分子轨道可能由上自旋电子(Alpha电子)和下自旋电子(Beta电子)占据。当Alpha电子和Beta电子的数目相等的时候，我们可以用单一的分子轨道i.来进行表述，这类体系称为闭壳层体系(Closed-shell)，在DMol3中不需要选中Spin restricted前面的选项。当Alpha电子和Beta电子的数目不相等的时候，我们将会使用不同的i.来表述Alpha电子和Beta电子，这类体系称之为开壳层体系(Opened-shell)或者自旋极化。在DMol3计算的时候需要选中Spin restricted的选项，并指定自旋数目。在开壳层体系中，会有两个不同的电子密度：一个是Alpha电子的电子密度，一个是Beta电子的电子密度。它们的和就是整个体系的总电荷，它们的差就是自旋密度。其中，动能项的方程为：注意，动能项实际上是一个常数项，在第一次计算完成后，该数值基本上可以确定，后继计算中，则可以忽略这一步骤。势能项处理：当我们确定了电子密度之后，传统的薛定谔方程会从对电子波函数的处理转换为对电子密度进行处理的函数。需要注意的是，在势能项中的电子-电子相互作用，指的是两个电子间的相互作用。但是，在整个体系中，还有三电子、四电子之间的相互作用，这一部分的内容从数学上是没有办法得到精确解的，在密度泛函理论中，将这一部分的内容归入了Exc这一项。对这一项的处理，才是密度泛函理论处理的核心。针对不同的体系，有LDA和GGA两种处理方法。LDA(Local density approximation)局域密度近似方法假定在原子尺度电子密度变化非常缓慢，也就是说，在整个分子区域内，整个体系表现为连续的电子气状态。那么，整个电子交换-相关能就可以表示为对整个电子气的积分。在DMol3模块中，常用的两种LDA方法是VWN和PWC：VWN：最常用的LSD(Local spin density)相关势函数。用来拟和电子气的精确数值结果。PWC：近期发展PWC泛函是在对VWN泛函的某些错误校正后的结果，是DMol3模块的默认泛函。LSD方法可以精确预测共价体系共价体系的结构预测、频率计算和相关能量。但是，键能往往会高估。LDA方法不能用于处理弱健体系不能用于处理弱健体系，如氢键。LDA的这些缺陷，可以使用更大展开的Exc处理来校正。也称之为梯度校正方法。GGA(General gradient-corrected)也成为NLSD(Non-local spin density)方法，近二十年来的计算工作表明，使用梯度校正交换-相关能Exc,d()可以很好的描述分子体系的热力学性质。需要注意的是，GGA方法实际上是一种经验性的描述函数。对于不同的研究体系，计算所使用的泛函的精确度实际上是不一样的。如果要求计算的结果准确可靠，则需要对相关的函数进行查阅，或者从相关文献中查找所使用的泛函。P91,BP,BLYP,BOP：也称为广义梯度近似方法。一般是Becke交换函数(B88)与Perdew-Wang相关函数(BP)或者Lee-Yang-Parr相关函数(BLYP)组合使用。PBE：PBE(Perdew,Burke和Enzerhof)泛函具有较强的物理背景，主要用于固体计算，可靠的数值计算性能，在DFT计算中经常被使用。交换项与Becke相类似，相关项与Pedew-Wang函数相接近。RPBE：在PBE的基础上修改得到，对热力学计算结果较为可靠。HCTH：对无机物和氢键体系的热力学计算结果较为可靠。VWN-BP：COSMO或者COSMO-RS计算推荐使用。尽管NLSD计算比起LSD计算有很大的改善，但是，在计算反应能垒的时候，得到的能垒数据和实验结果相比仍任会有所低估。GENERALIZED GRADIENT APPROXIMATION(GGA)PW91Perdew,J.P.;Wang,Y.Phys.Rev.B,45,13244(1992).BOPTsuneda,T.;Suzumura,T.;Hirao,K.J.Chem.Phys.,110,10664(1999).BPBecke,A.D.J.Chem.Phys.,88,2547(1988).Perdew,J.P.;Wang,Y.Phys.Rev.B,45,13244(1992).VWN-BPVosko,S.J.;Wilk,L.;Nusair,M.Can.J.Phys.,58,1200-1211(1980).Becke,A.D.J.Chem.Phys.,88,2547(1988).Perdew,J.P.;Wang,Y.Phys.Rev.B,45,13244(1992).PBEPerdew,J.P.;Burke,K.;Ernzerhof,M.Phys.Rev.Lett.,77,3865(1996).RPBEHammer,B.;Hansen,L.B.;Norskov,J.K.Phys.Rev.B,59,7413(1999).BLYPBecke,A.D.J.Chem.Phys.,88,2547(1988).Lee,C.;Yang,W.Parr,R.G.Phys.Rev.B,37,786(1988).HCTHBoese,A.D.;Handy,N.C.J.Chem.Phys.,114,5497(2001).当我们确定了如何处理电子的交换-相关能作用后，我们就可以将初始的薛定谔方程进行转换，转换后的Kohn-Sham方程就可以用下式来进行描述：这里的Et是整个分子的总能量。而如果要精确的确定整个分子的总能量，就必须通过改变体系的电子密度，并由此得到不同的能量数值，当体系的能量不再发生变化的时候，就可以认为整个体系趋于稳定，最终得到的能量，就是整个体系的最终能量。获得最终能量的一系列计算工作我们称之为SCF(Self-Consistent field自洽反应场)计算，整个SCF迭代的计算流程，如下图所示：1.选择初始的Ci。2.根据Ci构建初始的分子轨道i。3.构建电子密度。4.使用电子密度，计算电子间的势能项，并考察Exc。5.计算整个体系的哈密顿能量。6.解自洽方程以获得新的一组Ci系数。7.构建新的分子轨道i和电子密度 8.如果new=old，那么通过新的薛定谔方程计算总能量，并结束。9.如果new old，那么返回步骤4。对于有机分子，一般10部左右可以保证整个new old 10-6，整个体系能量收敛。但是对于金属体系，一般需要更多的迭代来确保体系收敛。DMol3中的中的SCF迭代过程迭代过程DMOL3:参数控制SETUPTask:Energy,geometry optimization,TS-search,Overall quality controlXC-Option:LDA,GGASpin optionCharged systems(add or remove electrons)DMOL3:参数控制Task：Energy：直接进行SCF迭代计算，迭代的结果就是体系的总能量。Geometry Optimization：求解体系的势能与坐标的一阶导数，当该数值为0时，各个原子受力为零，此时的结构为能量最低结构。Dynamics：考虑为各个原子分配速率，模拟体系在外界温度场作用下的动力学行为；TS Search、TS Optimization、TS Conformation：对反应体系的计算工作。TS Search是寻找反应过程中的过渡态结构，并给出反应的能垒和反应热；TS Optimization是对过渡态结构进行进一步处理，寻找真实的一阶鞍点；TS Conformation则是对搜索到的反应过渡态进行进一步确认，搜索可能的中间体和过渡态。结构优化结构优化 在DMol3计算中，采用的是BFGS计算方法。BFGS计算是进行结构优化的标准算法。此方法适合于获得能量最低的结构优化算法。Tips：单击More后，可以看到Optimize Cell选项，只有当整个晶胞的晶胞参数都需要优化时，才可以选择此选项。孤立体系无此选项。在结构优化中，可以勾中Use starting Hessian来指定各个原子的受力方向。DMOL:参数设置ELECTRONIC OPTIONSIntegration:各个基函数的精度SCF tolerance：SCF迭代误差K-points：布里渊区采样Core treatment(all electron,PP,)Basis set：基组选择Orbital cutoff quality：各个原子轨道的半径设置More CORE TREATMENT?All Electron 不对内核电子进行特殊处理，所有的电子都被包含在计算体系中进行处理。Effective Core Potentials(ECP)使用单个有效势替代内核电子，以缩减计算成本。ECPs会在内核处理中引入相对论校正。All Electron Relativistic 处理体系中的所有电子，并在内核电子的处理中引入相对论效应。此方法更为精确，但是计算成本最长。DFT Semi-core Pseudopots(DSPP)使用单个有效势替代内核电子，以缩减计算成本。DSPPS会在内核处理中引入相对论校正。注意：ECP和DSPP都是对21号以后的重元素进行处理，如果体系内包含C、H、O、Zn，那么程序将只会考虑Zn的相对论效应，其它元素则使用全电子进行处理。其中，DSPP特别针对DMol3模块开发，而ECP则来源于Hartree-Fock势。Core treatment参数控制那些原子轨道上的电子需要进行处理。默认的设置是对于所有的电子进行处理。对于重原子而言，内核电子的速率接近光速，就必须考虑到相对论效应。基组设置Min 一个占位原子轨道之使用一个数值轨道基组。速度更快，精度最低。DN 双数值轨道基组。在Min基组的基础上加入了第二组价电子原子轨道。DND 双数值轨道基组+d轨道极化函数。与DN基组类似，但是为所有非氢原子加入了d轨道函数极化。为DMol3模块默认基组，在可接受的计算时内，确保精度在可接受的范围内。也是DMol3计算的最低可信精度基组。DNP 双数值轨道基组+轨道极化函数。与DND基组类似，但是为所有氢原子加入了p轨道函数极化。精度更高，计算时间更长。对于氢键计算更为重要。TNP 三三数值轨道基组+轨道极化函数。与DNP基组类似，为所有原子加入极化函数。目前只能够使用与H到Cl的元素，且不包括He和Ne。精度更高，计算时间更长。基组设置轨道半径设置 从理论上讲，体系的电子密度和相关函数都是针对整个空间来进行处理的。由于电子密度在远离原子核的时候迅速衰减，因此，可以限制积分的范围。这一设置能够大大减少计算的时间，但不会影响到计算的精度。注意，全局半径要按照体系内具有最大半径的元素标准进行设置。SCF tolerance：SCF迭代中，两次能量之间的差值，以电子密度的差异为评判标准Smearing:选中后，意味着将热拖尾效应应用到轨道占据上，来加速收敛速度(SCF迭代失败后，第一项需要调的参数)Density mixing(SCF迭代失败后，第二项需要调的参数)DMOL:参数设置SCF 选项SMEARING-FERMI(THERMAL)OCCUPANCYSmearing参数允许电子在所有轨道中按照指定的能量差E 进行拖尾。类似于物理上的热占位现象。此方法能够通过允许轨道驰豫而大大加速SCF迭代的收敛速度。会导致虚轨道与占据轨道进行混合，因此，会有一些轨道出现分数占位。SMEARING 热占位模式的效果初始结构 红色为未占据轨道“Made visible”by smearing 默认值默认值!最终结构 红色为发生占据DENSITY MIXING Density Mixing参数控制体系中，如何根据特征方程来如何构造新的电子密度。在整个体系中，通过加入阻尼振荡来确保整个体系的平滑收敛。对于一个最简单的阻尼方法，遵循如下方程：A就是阻尼系数in是当前前一步SCF迭代计算得到的电子密度，根据这一项来构建特征矩阵。out是没有考虑阻尼系数，根据新的分子轨道系数构建得到的电子密度。而new则是真正用于下一步迭代的电子密度。DIIS(direct inversion in an iterative subspace)：也称为Pulay mixing方法，由Peter Pulay发展得到，是一种外推方法。用于Harter-Fock SCF迭代方法的加速并稳定体系的收敛过程中。当选中时，能够加速整个体系的SCF迭代速度。The DIIS method assumes that a good approximation to the final solution pf can be obtained as a linear combination of the previous guess vectors where m is the number of previous vectors(in practice,only the most recent few vectors are used).The coefficients ci are obtained by requiring that the associated residual vectorapproximates the zero vector in a least-squares sense.Furthermore,the coefficients are required to add to one,DMOL:参数设置K-POINTS专门针对周期性体系需要针对不同布里渊区的K点路径进行设置(如果不确定，可以使用程序默认参数)K点路径间隔或者格点设置(同一系列体系需要使用相同的格点间隔)与计算的全局精度设置相关可以按照globally或者element specific来进行选择需要调整不同的Rcut设置来验证Oribtal Cutoff是否合理DMOL:参数设置Orbital CutoffDMOL3 性质Band StructureDensity of statesElectron densityElectrostaticsFrequencyFukui function OrbitalsPopulation analysis Thermodynamic PropertiesElectron DensityTotal density:整个体系的电子密度Deformation density:与单个原子的电子密度相比较，整个分子的电子密度变化值。计算方法是总电子密度减去单个原子的密度差。Spin density:a-自旋 和 b-自旋电子的电子密度差。ElectrostaticsElectrostatic potentialElectrostatic moments:dipole,quadrupole,octupole,and hexadecapoleNuclear electric field gradientsFUKUI FUNCTIONS-预测反应性FFs 提供了亲电亲电或者亲核亲核攻击的相关信息那个区域反应更易发生？FF可以绘制出3D图，以显示反应区域。这些类似结构，那个更有反应性？浓缩的FFs显示方式，可以以原子为中心的等势面，定量对比不同区域的反应性能。亲核攻击亲电攻击FUKUI INDEX FOR E-CAPROLACTONE Od d-attackAld d+attackOrbitals-预测反应性 对于使用数值轨道的DMol3模块，在计算后能够给出整个体系的分子轨道信息。对于单个分子而言，这些分子能够帮助我们判断电子的可能跃迁(需要用到群论知识)；对于反应而言，也可以使用福井谦一的前线轨道对称守恒原理，判断反应发生的区域。LUMOHOMO.where reaction takes place!Frequency-热力学性质计算 分子的振动频率在实验上是通过IR和Raman谱图来进行观测的。这些技术能够帮助我们观察到分子的结构和化学环境。不同的振动模式对应了不同的峰。一般而言，键的伸缩具有最高能量的振动频率，而弯曲振动的能量较低，扭转振动会更低一些。能量最低的那些振动方式，对应了刚性体系的扭动或者大分子的呼吸效应。DMol3通过对能量梯度的有限差值分析来获得相应的频率。通过对能量对位移的一阶导数分析，可以得到整个体系中各个原子的受力状况，而二阶导数分析则对应了相应的振动模式。谱图中峰的强度，对应了特定波长的光子被吸收或者Raman散射的几率。在量子力学计算中，需要通过对跃迁偶极矩跃迁偶极矩的计算得到的波函数进行分析得到这种几率数值。这种计算得到的强度往往只是相对数值，且具有较大的误差。经过计算得到的能量，往往与真实能量有一定的误差。这是由于真实体系往往都具有一定的振动模式。通过频率计算后，可以将得到的最低能量振动得到的零点能校正零点能校正加入到之前计算的能量数值来获得较为可靠的能量数值。而体系的熵、焓数值，则可以分解为由分子平动、振动和转动带来的能量变化。Transition State Search TS Search TS Optimization TS ConformationReaction CoordinateEnergyWith catalystZ1Z2PGRGA*P*Ea,0Ea,1Ea,2DHRWithout catalyst过渡态计算方法一览 局域法:(EF,ScanPES)从单一结构出发计算势能面TS 计算较为准确 插值方法:(LST/QST,Ridge,NEB)需要给定初始反应物和产物结构 计算单个结构的能量和能量梯度一般需要作更进一步的验证LST line searchmaximumQST line search maximumA schematic view of the LST and QST approach LST Maximum：执行单个LST极大值化计算。找到反应物和产物之间的能量最高点结构。Halgren-Lipscomb：执行单个LST极大值化计算，并使用单线搜索最小点方法进行后继处理。LST/Optimization：执行单个LST极大值化计算，并使用完全共轭梯度法对结构进行后继处理。Complete LST/QST：执行单个LST极大值化计算，并重复使用共轭梯度法优化和QST极大值方法进行后继处理，直到确定过渡态结构。QST/Optimization：从QST路径出发，重复使用共轭梯度法优化和QST极大值方法进行后继处理，直到确定过渡态结构。Reaction PathEnergy(Ha)LST PLUS CG PEAK REFINEMENT:RING OPENING OF CAPROLACTONELSTMaximizationConjugate Gradient MinimizationConjugate gradientrefinement of saddlepoint is important!0.6eVReactantProductHalgren Libscomb过渡态结构的频率分析真实的过渡态结构应该是一个鞍点，反映在频率计算上，应该只有一个虚频率虚频率的振动模式，应当是在反应物和产物之间发生震荡，由此保证反映过程的一致性。当过渡态结构中存在多个虚频，有时候就需要使用TS Optimization方法将多余的虚频消除，以获得真正的一阶鞍点。在使用TS Optimization的时候，首先需要使用Tools|Vibrational Analysis对整个体系的Hessian矩阵进行计算处理。在设置参数的时候，需要将Vibrational Analysis的窗口激活，并选中最小的正频率，之后开始DMol3计算。当体系发生震荡的时候，可以将Max.Step size的数值调小，以确保收敛。假定反应路径AM1M2BTS 1TS 2A B involves 2 unexpected minima假定 QST 路径点能否在反应物、产物和TS 2之间找到其他能量最小的结构？AM1M2BTS 1TS 2过渡态验证的方法传统方法:由TS 出发执行最陡下降法计算简单的最陡下降法优化阻尼MD计算 要求大量的步骤二阶导数法 要求进行大量的Hessian矩阵计算在第一个找到的最小点处结束NEB方法.搜索完整的反应路径需要计算的步数少不需要计算Hessian矩阵依赖于离域内坐标优化和QST算法NEB 思路描述CBA 收敛到“正确答案”！由TS Search计算得到的QST路径出发 在QST路径上设定“映像结构”CBAQSTIRP考察反应路径 A C反应路径未知 A B C1)将“映像结构”相关联 垂直于路径方向进行结构优化CBA2)TS Conformation 在执行TS Conformation的时候，需要注意，一定要将TS Search中得到的xtd轨迹激活，并在这一窗口下执行TS Conformational工作。TS 计算的完整流程执行TS Search计算工作在TS Search得到的xtd路径上，进行TS Conformaiton工作完成后会给出IRP路径，可能有一些局域最小点对新找到的最小点结构进行优化如果必须，在新得到的最小点结构之间执行TS Search计算工作CASTEP的基本原理和参数设置CASTEP平面波赝势法(PLANEWAVE-PSEUDOPOTENTIAL)CASTEP将电子波函数通过平面波函数展开赝势pseudo wave functionpseudopotential有效的减少平面波数目只适用于周期性体系CASTEP的参数设置SETUP计算任务(Task)Energy,Geometry optimization,Elastic constant,TS search,Properties精度控制(Quality)交换相关函数(Functional)LDA:CA-PZ GGA:PBE,RPBE,PW91,WC,PBEsol B3LYP 0PBE HFHF-LDA sX,sX-LDA自旋极化(Spin polarized)初始自旋值(Initial spin)体系电荷CASTEP的参数设置ELECTRONIC动能截断值(Energy cutoff)自洽计算收敛精度(SCF tolerance)K点设置(k-point set)赝势(Pseudopotential)Ultrasoft,Normconserving,On the fly赝势的表达，实空间 or 倒空间Core hole的选择 MoreCASTEP的参数设置ELECTRONIC-MOREBasis 基组的相关参数设置 动能截断值的设定 FFT格子设定 基组的测试(Finite basis correction)SCF 自洽计算的相关参数设置k-points Potential 选择赝势CASTEP的参数设置ELECTRONIC-MOREBasis 基组的相关参数设置SCF 自洽计算的相关参数设置 收敛精度的具体设定 自洽计算允许的步数 Density mixing 轨道占据数 初始自旋值的优化k-points Potential 选择赝势DENSITY MIXING Density Mixing参数控制体系中，如何根据特征方程来如何构造新的电子密度。在整个体系中，通过加入阻尼振荡来确保整个体系的平滑收敛。对于一个最简单的阻尼方法，遵循如下方程：A就是阻尼系数。in是当前前一步SCF迭代计算得到的电子密度，根据这一项来构建特征矩阵。out是没有考虑阻尼系数，根据新的分子轨道系数构建得到的电子密度。而new则是真正用于下一步迭代的电子密度。DIIS(direct inversion in an iterative subspace)：也称为Pulay mixing方法，由Peter Pulay发展得到，是一种外推方法。用于Harter-Fock SCF迭代方法的加速并稳定体系的收敛过程中。当选中时，能够加速整个体系的SCF迭代速度。The DIIS method assumes that a good approximation to the final solution pf can be obtained as a linear combination of the previous guess vectors where m is the number of previous vectors(in practice,only the most recent few vectors are used).The coefficients ci are obtained by requiring that the associated residual vectorapproximates the zero vector in a least-squares sense.Furthermore,the coefficients are required to add to one,SMEARING的作用的作用初始的情况采用Smearing后 初始的情况采用Smearing后 Final energy,E =-703.3442797001 eVFinal free energy(E-TS)=-703.3442797001 eVNB est.0K energy(E-0.5TS)=-703.3442797001 eVCASTEP的参数设置ELECTRONIC-MOREBasis 基组的相关参数设置SCF 自洽计算的相关参数设置k-points 设定k-mesh的大小 Potential 选择赝势CASTEP的参数设置ELECTRONIC-MOREBasis 基组的相关参数设置SCF 自洽计算的相关参数设置k-pointsPotential 选择赝势 *.usp,*PBE.usp,*.uspcc,*PBE.uspcc *.recpot *.otfgCASTEP的参数设置PROPERTIES能带结构(Band structure)态密度(Density of state)轨道(Orbital)电荷密度(Electron density,Electron density difference,Electron localization function)光学性能(Optical properties)布居分析(Population analysis)声子的相关性能(Phonons,Polarizability and IR spectrum)Core level spectroscopy Core level spectroscopy On the fly generated PseudopotentialCASTEP的参数设置PROPERTIESCASTEP的参数设置JOB CONTROL有效的控制计算时间