科学网—差分电荷密度图电荷局域密度图(ELF)的画法及分析

mkdirABmkdirAmkdirBINCARfileSYSTEM=XISTART=0ENCUT=350EDIFF=1E-5IBRION=-1POTIM=0.25NSW=0#Onlyelectronic-SCloopsareperformedEDIFFG=-1E-2ISMEAR=0SIGMA=0.05PREC=ACCURATEISIF=2NPAR=4#LWAVE=FALSE#LCHARG=FALSE#CHGCARiswrittenLREAL=Auto#IALGO=48ISYM=0NGX=x#增加NGY=y#增加NGZ=z#增加

viPOSCAR:setnu#获取编辑行数:x,yd#删除x行至y行:wq

二图像处理

原理:VASP中电荷密度差的计算-用来分析成键前后电荷转移

在文献中,经常见到利用电荷密度差(chargedensitydifference)来分析成键的过程或是结构弛豫前后电荷的转移,当然,也有人用来分析基态和激发态的电荷分布差别等情况。不过,尽管似乎都叫“电荷密度差”,但具体的定义是不大一样的。这里主要是讨论在VASP中如何得到用来分析成键前后电荷转移的电荷密度差。此时电荷密度差定义为:delta_RHO=RHO_sc-RHO_atom

其中RHO_sc为自洽的面电荷密度【什么叫面电荷密度?!】,

而RHO_atom为相应的非自洽的面电荷密度,是由理想的原子周围电荷分布堆彻得到的,即为原子电荷密度的叠加(asuperpositionofatomicchargedensities)。不同晶面的RHO_sc可由自洽计算的CHG或CHGCAR得到;

而计算RHO_atom所需的CHG或CHGCAR可由下述非自洽计算得到:仍使用原来自洽计算时的四个输入文件,但INCAR中需要设置ICHARG=12和NELM=0,其他设置不变。

【设置ICHARG=12,产生原子的电荷密度,见手册介绍:

ICHARG=12:Non-selfconsistentcalculationsforasuperposition【重叠/叠加】ofatomicchargedensities.Thisisinthespiritofthenon-selfconsistentHarris-Foulkesfunctional.】需要特别注意的,应保持前后两次计算(自洽和非自洽)中的FFT-mesh一致。因为,只有维数一样,我们才能对两个RHO作相应的矩阵相减。不过,只要按上一段提到的设置方法做就行了,无须特别增加别的设置。

数据处理(后面详细叙述):

(1)矩阵相减:使用MatLab或是自已写个小程序。作图:Origin或MatLab。

(2)VESTA绘图

计算步骤:

1)总的CHGCAR就是静态计算得到的

(不同晶面的RHO_sc可由自洽计算的CHG或CHGCAR得到)

SCF-INCAR

SYSTEM=scfforbandanddosPREC=AccurateEDIFF=1e-5ENCUT=600.0ISTART=0;IBRION=2ISMEAR=1;SIGMA=0.2#NGX=24#NGY=24#NGZ=48

2)分的电荷密度(CHGCAR)的计算

(仍使用原来自洽计算时的四个输入文件,但INCAR中需要设置ICHARG=12和NELM=0,其他设置不变。)

SYSTEM=scfforbandanddosPREC=AccurateEDIFF=1e-5ENCUT=600.0ISTART=0;IBRION=2ISMEAR=1;SIGMA=0.2ICHARG=12#asuperpositionofatomicchargedensitiesNELM=0#NGX=28【有时需指定NGX,NGY,NGZ值与前面自洽计算中一致】#NGY=28#NGZ=28

数据处理及差分电荷密度图画法:

先导入总的电荷密度文件,然后分别减去单独的电荷密度,Edit-EditData-volumetricData。

注意:

1)导入vesta的时候把CHGCAR改为CHGCAR.vasp

2)报错:Numberofdatagridsinthe3Ddatasetsdonotmatcheachother

NGX,NGY,NGZ,NGXF,NGYF,NGZF的值要固定

CHGCAR就是静态计算得到的,分别计算分的电荷密度时INCAR参数的设置,以及KPOINTS文件都要与静态计算一致。(但INCAR中需要设置ICHARG=12和NELM=0,其他设置不变。有时,需指定NGX,NGY,NGZ值与前面自洽计算中一致)

3)你说的那个e/V^3是e/埃^3还是e/波尔半径^3

电荷密度切面(Slice)的画法-电荷密度等高线的2维投影

如下图及下面的步骤描述

(1)之前,可按shift加选择箭头,选定三个原子;

(4)可扩胞,即在该平面(010)的x,z方向扩胞,得到包含更多原子的电荷密度图,便于截取

(5)可参考Z(min)和Z(max)数值,通过Saturationlevels调节左边Colorbar的显示范围,使得图像清晰,并使得刻度好平均分配,便于标记

(6)也可使得ELF以线的形式显示,点击Contours,勾选Drawcontourlines,调节间隔Interval,可得到一系列圆圈线,最红色的底圈线代表Max,其外围每一圈线,以Interval递减;可选Linear,或log格式的刻度标识

等电荷密度面(Isosurfaces)的画法-电荷密度等高线图

1)首先是3D显示,可以如下修改或者调整:Objects->Properties->Isosurfaces->Isosurfacelevel处的数值做适当调整,你将显示出漂亮的电荷密度等高线图。

对比分析-myown:

处理步骤:【需要商议的步骤】---另一种定义电荷密度差

用VESTA做VASP差分电荷(C-A-B)图方法:1、导入C的CHGCAR(拖拽到vesta)面板框中2、Edit——>Editdata——>VolumetricData————>Import(选择A的CHGCAR)——>Subtractfromcurrentdata——>OK

3、Edit——>Editdata——>VolumetricData————>Import(选择B的CHGCAR)——>Subtractfromcurrentdata——>OK注意:A,B,C三个文件的格点要一一对应。

文献分析:

(1)Cr合金化Mg_2Ni氢化物能量与电子结构的第一性原理研究

为了更直观更形象地理解Mg2NiH4和Mg(I)CrNiH4中原子间的成键情况,选取2个晶胞(002)面的差分电荷密度图(是指原子---组成体系(团簇)之后电荷的重新分布,可以很清楚地看出体系中原子的成键情况)如图4所示。

发现在Mg2NiH4晶胞中,H-Ni间的电荷密度高,而H-Mg及Ni-Mg间的电荷密度低,故H-Ni之间存在较强的相互作用,而H-Mg及Ni-Mg间的作用不明显;Cr合金化Mg2Ni氢化物(见图4b)后,发现H-Ni间的电荷密度降低,这说明H-Ni键的作用减弱,故有利于释氢,体系的解氢能力增强。

(2)放热型金属合金化对钒基贮氢材料性能影响的理论研究

在氢化物VH2中加入放热型金属Mg、Ca、Ti、Zr以后,V51M12H64(M=Mg、Ca、Ti、Zr)中最中心的V和H之间电荷密度重叠性增强,表明V-H之间的相互作用增加;同时M(M=Mg、Ca、Ti、Zr)和H之间的电荷密度重叠性较大,表明M-H(M=Mg、Ca、Ti、Zr)之间也有较强的相互作用。所以,放热型金属合金化后,由于放热型金属本身Mg、Ca、Ti、Zr可以吸氢,同时又使V-H之间的相互作用增强,氢化物可以结合更多的氢,从而增加了贮氢量。但氢化物不容易放出氢,即吸放氢性能减弱。这与实验结果及前面的结论一致。

(3)金属氢化物力学性能的第一性原理研究

如果电子被束缚在H原子的局域势场附近,则体系的稳定性变差(可由差分电荷密度图判断)。

当金属氢化物体系总的电子态密度在Fermi能级处出现奇异性的尖峰,或者电子被束缚在H原子的局域势场附近时,体系的稳定性差,有可能发生相变。

在低温下MH2(M=La,Nd,Gd,Tb,Y,Dy,Ho,Er,Lu,Sc)具有稳定的氟化钙结构,而MH2(M=Ti,Zr,Hf)的氟化钙结构不稳定。对于稳定的金属氢化物而言,抵抗体积形变、切应变和拉伸(或压缩)形变的能力由弱递增的顺序为LaH2,NdH2,GdH2,TbH2,YH2,DyH2,HoH2,ErH2,LuH2,ScH2。

(4)Hydride-BasedElectrideMaterial,LnH2(Ln=La,Ce,orY)

(5)差分电荷密度图--透明钠:Transparentdensesodium

(5)Pressure-stabilizedsuperconductiveyttriumhydrides

网络问答:

差分不同的定义:

(1)deformationchargedensity【MS中】这个的定义是用总的电荷,减去体系中原子电荷,就是他问的你这个电荷是非自洽电荷,isthenon-self-consistentchargedensity

(2)另外,这种的差分一般定义是:scf电荷减去非scf电荷

(2)差分电荷密度从Gaussian的解释

在量化图形中,电子密度差Δρ尤其重要!它应是传统的原子净电荷概念的扩大和空间化,它直接从MO而来,真实地、科学抽象地表现了电荷在分子空间分布的净变化,不再只将净电荷人为地局限、归结、划分在某个原子上。

我们如果仅看分子轨道图、电子密度图,象上面的HF分子的σ键电子密度图,它是据HF分子第3个MO即σ键作的电子密度图,它们那么浑圆、憨厚、质朴,很难看出什么。它是一片云,难察其意。

而一旦作出了电子密度差,成键原子前后变化、分子之间络合、氢健、吸附等,电子增减的净变化,被鲜明地、细微地突出了,可以发现许多新东西、意想不到的东西,从而引人入思。

如从上面的HF分子的σ键电子密度差图Δρ,并参照MO系数来看,这个σ键可以分析为三个内含:

第一、原子以基组形式参与成键,这基组或者可以看作是广义的杂化。

对于成键来说,基组一方面是为了弥合不同AO的波形的差距,融合成平滑、完整、统一的MO,另一方面是为了应对键间电子向键轴的聚集、收缩和原子之间的电子转移。

基组不仅是计算需要的一组数学表达式,当它们分配了系数、安排了电子,它就形成了一个新的广义杂化的空间AO,是具有能级值或说是电负性的,是有确定物理意义的,它是成键电子的载体、基础。

第二、电子在不同电负性原子之间转移。

有趣的是,通常说sp杂化,用增大的一瓣去成键以增大重叠能力。但在HF中,MO的基组中s、p却是反位相的杂化,即HF以缩小的一瓣去成键,而用增大的一瓣去装转移过来的过多电子,这转移电子妥善安排在离键区远的外面集结。

第三、电子向键中间中移。

从HF分子Δρ图看,在H和F之间也有明显的电子聚集。这是人所共知的成键的关键表征。

此外,这种电子往键中间聚集、形成对二核的屏蔽加强,会减小原子核之间的排斥力,有利于降低体系的总体能量。

然而,所有上面这一些图形功能,单从gs03cube并不能直接、方便地得到。

对于G03来说,它的cubegen是能作density和Orbitals等的空间格点的。

但是它的density(ρ)只是全分子的,分子的所有MO的电子密度加和,还自然包含分子中的1S、2S轨道,用图形展示出来是一个圆滚滚的样子,很难说明什么,也不利作密度差。

我们常常需要考察的是分子成键的单个特定的MO(或者孤对电子MO等)。

而G03的cubegen不能作某个MO的ρ,将某个MO的cube输入到cubman也不能作平方运算作成ρ,因为cubman缺少平方运算。

而且cubegen的空间数值格点输出文件,是没有坐标的。它的坐标隐含在输出文件的开始部分:空间网格每个边的格点数、空间格点的起始点、格点间隔。除了与其配套的软件外,其它软件很难用这个数据加工或作图。

Sobereva博士【大牛哈;从程序开发到化学物理概念理解,到具体应用】专门开发的gsgrid程序就是为解决上述问题制作的,它把格点文件的数据提取出来,附上每个数据点的坐标。可以选取指定的XY/YZ/XZ平面,得到这个平面上的数据点以便做等值线图(MO图、ρ图),或对数据进行各种运算加工(作平方、作差值等),然后再作等值线图(Δρ图)。

gsgrid程序附有详细的使用说明,一看就会。

而进入高超的sigmaplot中作等值线,更是功能强大、得心应手!

具体计算如下:

单个原子的AO的获得,要单算。

如除了算HF外,H和F还要另外单算,而且它们要与HF有同样指定的空间格点规格,且与HF中的H和F有相同的坐标位置,相同的基组。

如果是算整体的ρ来相差,这样得到的三个cube,进入gsgrid作三个xy截面G1、G2、G3,再用HF的G1减去H和F的G2、G3,即得电子密度差。进入sigmaplot作图、调整即得等值线图。

如果想作精细一些,需要在HF中指定一个MO来作,如上面的σ键的MO,它是第3个MO。F也要选定那个单电子的AO,H就是一个了。用指定的MO作三个cube,进入gsgrid作三个xy截面G1、G2、G3,再对这三个xy截面分别作平方使成为电子密度,HF的这个轨道有2个电子,还要乘以2。再用HF的减去H和F的,即得电子密度差。进入sigmaplot作图、调整即得等值线图。

实践表明,因为这时由原子到分子,真正发生电子净变化的主要是σ成键轨道。内层F1s等基本没有变化,相差之后抵消了,而F的孤对电子轨道,虽然因为通过σ键诱导过来部分电子,对有效核电荷的屏蔽加强,使核对孤对电子pi吸引能力减小、能级升高,表现为轨道膨胀、弥散,但由于我们的xy截面是对σ键的中心剖面,对这个截面,孤对电子pz与之是正交的、xy截面是其节点,没有截取到值,另一孤对电子py也因弥散影响甚微。所得到的电子净变化图形,与上面根据σ成键轨道MO作出它的没有原则性的差别。

THE END
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