本文说明,如何使用ReaxFF的Molecular Gun功能模拟在二维表面,原子、分子以一定频率、速度(即温度)从外界入射到二维表面,在表面沉积、反应或凝聚的过程。此处以水分子在石墨烯表面的行为为例进行说明。
ADF2016.208及其以后的版本,包含该功能(注:该功能ADF2017正式发布,目前只是最新的开发测试版包括这个功能)。下载链接(编号大于r57000即可)
石墨烯建模
本文中创建石墨烯的过程如下:
在ADFinput,切换到ReaxFF模块,并创建晶体结构,选择石墨烯:
此处可以对石墨烯的元素、结构参数进行修改,但本例中不做修改,直接点OK:
得到石墨烯的原胞。我们需要做一个大一点的二维表面,因此需要做超胞,但因为我们希望做的是二维体系,因此做超胞的时候,C方向重复单元个数填写为1,A、B方向重复10个单元:
如此,得到两层石墨烯,那么我们只需要一层,所以删掉任意一层(选中其中一个原子,按ctrl m键,再按del键即删除掉该原子所在层),得到一层石墨烯如下:
点击Model > Lattice修改Z方向的数值(这是分子动力学模拟的Cell的尺寸)到60埃左右,如下图所示:
添加入射水分子
在适当的位置添加一个水分子,并通过View > Periodic > Show Unit Cell,显示分子动力学模拟的Cell:
并将水分子设为一个region,例如名为Region_1:
其中:
Add molecules from Region_1:表示Region_1(也就是水分子)是入射分子(当然原子、团簇都是可以的)
Add at:表示入射的位置,选择z表示入射的高度固定为当前高度,在xy平面随机分布。其他选项参考说明(鼠标悬停,就会显示该参数的说明)
Temperature:表示入射分子的速度,折算成温度为300K,温度越高,速率越大
Start at integration:从第多少step开始入射
Frequency:每隔多少step入射一次Region_1。注意:这个频率不能太高,例如不能是1000,否则会出现一个分子还没有离开,旁边又出现一个分子,两个分子之间距离过近(比如小于1埃),就会出现巨大的彼此破坏的力量,形成分子碎片。该参数建议设置为3000以上。
其他参数设置(参考费米维基:如何进行最简单的模拟(基本参数范例详解))
保存任务并运行。
分子动力学过程
在ADFinput(或者在ADFjobs中选中该任务之后)点击ADF LOGO > Movie即可显示动力学过程:
起始没有水分子:
水分子逐渐入射、增多
水分子之间,由于氢键作用而形成了小的水簇:
形成很大的水簇:
注意:本例中Cell在xy方向尺寸不大,所以继续增大水簇,可能会形成连片的水膜。读者有兴趣,可以增大Steps数继续模拟。本例只进行了40万步,步长为0.25fs。
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