表面能的定义

表面能是指材料表面相对于材料内部所多出的能量。

γ = (Eslab-Ebulk)/2S

计算表面能的过程

计算步骤

1. 计算slab的能量

2. 计算bulk的能量

3. 计算表面积的大小

4. 处理数据

本教程以Cu为例

01 计算slab的能量

首先我们打开一个Cu的模型，点击build-Surface-Cleave Surface进行切面。

本例我们计算001面的表面能，同时调节模型厚度和端面。

建立真空层

导出为cif结构，并使用Vesta软件，生成POSCAR文件。

准备INCAR，KPOINTS，POTCAR文件。

值得注意的是，因为我们计算的是表面能，所以我们在计算时需要固定中间体的部分。

此处我们用vaspkit的402功能将0.15到0.27范围内的原子固定。

激活vaspkit，依次输入4-402-1-2，然后输入固定原子范围0.15 0.27，选择分数坐标和all方向，即可生成固定好的POSCAR_FIX文件。我们将POSCAR_FIX文件复制为POSCAR文件，进行结构优化。

计算完成后，得到slab的能量为-36.23 eV。

02 计算bulk的能量

准备INCAR，KPOINTS，POSCAR，POTCAR文件。首先将ISIF设置为3进行晶格优化，结束后，将CONTCAR重命名为POSCAR，将ISIF设置为2继续优化。

计算结束后，得到bulk的能量为-16.95 eV，Ebulk=-16.95×9/4（原子比例换算)=-38.14 eV。

03 计算表面积的大小

表面积顾名思义即为slab模型的表面积，Cu的001面的夹角都为90°，所以表面积为a×b。即S=2.5560×2.5560=6.5331Ų

04 处理数据

将数据代入公式

γ = (E_slab-E_bulk)/2S

 =(-36.23+38.14)/(2×6.5331)=0.15 eV/Ų

将单位转换为J/m²，则为2.40 J/m²。