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差分电荷密度的3D Isosurface立体图和2D Slice平面图

摸鱼不用手631
第一性原理密度泛函理论VASP电荷密度计算差分电荷密度Bader电荷分析VESTA可视化三维等值面二维切片电子结构表面吸附电荷转移MgO表面CH4吸附MgO/CH4体系

定义:系统AB的差分电荷密度:

∆ρ = ρAB - ρA - ρB

注意:在计算ρAρB时,原子的位置必须和AB体系中的一致(见下文中的POSCAR)。

由公式可以看到,在VASP中需要进行三次计算才能分别得到AB、A和B体系的电荷密度。结果文件中的CHGCAR文件包含了电荷密度信息。


在计算差分电荷密度之前,系统AB的结构应当已经被优化过。

需要准备的文件有INCAR、KPOINTS、POSCAR和POTCAR。对于A、B、AB三个体系的电荷密度计算,INCAR文件和KPOINTS文件是相同的,另外两个文件是要单独准备的。


INCAR的准备:

PREC = Normal   ENCUT = 400.000  IBRION = -1     NSW = 0    ISIF = 2  NELMIN = 2   EDIFF = 1.0e-05  EDIFFG = -0.02 VOSKOWN = 1  NBLOCK = 1  NWRITE = 1    NELM = 60    ALGO = Normal (blocked Davidson)   ISPIN = 1  INIWAV = 1  ISTART = 0  ICHARG = 2   LWAVE = .FALSE.  LCHARG = .TRUE.    #写出CHGCAR文件 ADDGRID = .FALSE.  LAECHG = .TRUE.  ISMEAR = 0   SIGMA = 0.2   LREAL = .FALSE.RWIGS = 0.77 0.32

KPOINTS的准备:

Automatic mesh0Gamma  3  3  1  0.  0.  0.


下面我们将MgO表面吸附CH4作为案例,介绍POSCAR和POTCAR的准备,其结构如下图:

将结构优化后的MgO/CH4使用以下命令:

mv CONTCAR POSCAR

得到MgO/CH4(AB体系)的POSCAR,其POTCAR与结构优化时的保持一致。

删除AB体系中的MgO部分,即得到A体系(CH4体系),A体系的POSCAR(POTCAR与POSCAR匹配即可)如下:

CH4 (VASP)    1.0            5.96370000 0.00000000 0.00000000             0.00000000 5.96370000 0.00000000             0.00000000 0.00000000 23.43400000   C H  1 4Direct        0.51754000 0.46312000 0.55984000        0.38377000 0.34553000 0.57105000        0.50718000 0.49910000 0.51399000        0.49561000 0.62037000 0.58320000        0.68138000 0.39029000 0.56960000

同样的,删除AB体系中的CH4部分,即得到B体系(MgO体系),B体系的POSCAR(POTCAR与POSCAR匹配即可)如下:

当上述三个计算完成后,得到三个CHAGCAR文件:

A: CH4  CHGCAR_CH4

B: MgO CHGCAR_MgO

AB: MgO/CH4  CHGCAR_MgO/CH4

作图

在得到上述三个CHAGCAR后,下一步将利用VESTA软件作出差分电荷密度的3D Isosurfaces立体图和2D Slice平面图。

首先直接打开CHGCAR_MgO/CH4文件,然后按下面步骤依次导入CHGCAR_CH4文件和CHGCAR_MgO文件:Edit => Edit Data => Volumetric Data => Import:


得到的Isosurface图,可以在Properties页面修改Isosurface的属性:


调整好属性后,得到的最终差分电荷密度Isosurface图如下图所示,其中,青蓝色和黄色分别代表电子聚集和缺失。由此可以看出,甲烷中的碳原子得到了较多电子。再结合Bader电荷分析,可以将碳原子得到的电荷进行定量,结果为碳原子得到0.16 e的电子。

此外,也可以将图片做成2D slice的形式。在Isosurface图的基础上,选择任意三个不在同一条直线上的三个原子(包含自己关注的键)。依次点击Utilities => 2D Data Display => Slice => Calculate the best plane for the selected atoms => OK:


通过使用以下两个框可以调整任意你想要的slice属性。

可参考Z(min)和Z(max)数值,通过Saturation levels调节左边Color bar 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。

也可将图形以线的形式显示,点击Contours,勾选Draw contour lines,调节间隔Interval,可得到一系列圆圈线。


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正阳

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