作者:孙亮,邮箱:l.sun@pku.edu.cn
审核:陈默涵,邮箱:mohanchen@pku.edu.cn
最后更新时间:2023/10/12
将某一固体沿着某一晶面方向切开会形成相应的表面,许多化学反应都是依托在一些特定的表面系统上展开的。因此,计算表面能也是第一性原理计算经常会遇见的。
表面能(surface energy)定义为单位面积内表面体系与相应的体材料(bulk systems)能量之差,或者建立某特定表面需要做的功。不同表面的原子排布会对应不同大小的表面能,从能量的观点来看,表面能越低的表面体系越稳定,在现实世界里就越有可能稳定存在。
另外,需要注意的是,当沿着固体的某一晶面切开形成表面时,这个表面不一定是稳定结构。由于表面原子所经历的周围环境相比于体材料有所变化,所以往往表面原子会重新排布,只是排布的幅度有大有小。所以,一般来说,需要对表面进行结构优化计算,达到能量最低的稳定态。有一些常见的表面重构,已经被实验所证实,例如硅的表面重构。
密度泛函理论(Density Functional Theory,简称 DFT)也常用来计算材料体系的表面能,但如果使用的是周期性边界条件,往往构造的原子体系会有两个表面,以及一段真空。注意真空的长度一般不能太小(一般大于 10 埃),要长到能量达到收敛。另外,如果表面是有极化的,可以采用 dipole correction 功能进行修正,这样真空往往可以取短一些。另外一方面,构成表面体系的原子层数一般来讲不少于 3-5 层,有时候需要检验更多层以达到收敛,达到收敛时体系最靠近中间的层一般和体材料的原子性质较为接近,这个可以作为表面厚度是否足够的判据之一,另外一个判据就是随着层数的增加,所得到的表面能的值是否已经收敛。
用 DFT 计算材料体系的表面能时,需要进行两次自洽迭代(self-consistent field,简称 scf)计算,一次用于计算体材料体系中每原子的能量$$E_{0}$$,一次用于计算表面体系的总能量$$E_{slab}$$,最终表面能
其中$$N$$为表面体系包含的原子数,$$A$$为表面面积,分母上的
接下来,我们以平面波基组下的 KSDFT 为例介绍其计算方法,如果需要使用其它的能量求解器,只需要设置 INPUT
文件里的 esolver_type
、basis_type
更换能量求解器并设置相应求解器的参数即可。
以下是几个构造表面结构的注意点:
- 由于 ABACUS 在实空间的并行策略是将格点沿 z 轴分层,关于并行我们有两个建议:第一,为了使得 MPI 并行时负载平衡,建议沿 x 方向设置真空,即让表面的法线沿着 x 轴,避免有些核分不到原子,影响计算效率;第二,如果并行的核数较多,建议沿 z 方向设置真空,即让表面的法线沿着 z 轴,因为每个核至少要分到一些 z 方向的格点,选取长边会使得可以并行的核数更多。
- 真空层厚度一般设置在 10 埃以上,具体需要调整真空层厚度做收敛性测试;
- 表面结构(slab)需要用内部的原子模拟体材料,因此其厚度也要做收敛性测试。
算例链接:https://gitee.com/mcresearch/abacus-user-guide/tree/master/examples/surface_energy/Al_fcc100
这一步用晶格弛豫方法找到面心立方晶体 fcc Al 的平衡构型以及平衡能量。
链接:https://gitee.com/mcresearch/abacus-user-guide/tree/master/examples/surface_energy/Al_fcc100/0_bulk
运行完算例后,用 grep FINAL_ETOT_IS OUT.example/running_cell-relax.log
得到总能量为 -1883.225 eV
,由于原胞内只有一个原子,因此$$E_{0}=-1883.225\ \rm{eV}$$。
从 OUT.example/STRU_ION_D
文件中可以读到平衡晶格常数为$$a_0=7.586\ \rm{Bohr}$$,它将用于表面构型的构造。
注意,如果是带有磁性的原子,计算体材料的时候也要加上磁性的计算,例如在 INPUT
文件里设置 nspin=2
。
这一步我们搭建表面体系并计算其总能量。
实际计算时,需要对表面构型的原子层数做收敛性测试,作为例子,我们提供了 5 层和 7 层的算例,其构型如下所示:
计算总能量时,可以根据实际需要选择是否做结构优化,这里为了结果更准确,同时兼顾效率,我们固定了内部原子,对表面上的原子结构进行了优化。
对于 5 层构型,用 grep FINAL_ETOT_IS OUT.example/running_relax.log
得到总能量为 -9415.005 eV
,因此$$E_{\rm{slab}}=-9415.005\ \rm{eV}$$。
对于 7 层构型,总能量$$E_{slab}=-13181.372\ \rm{eV}$$。
对于上述构型,表面面积$$A=(a_0 / \sqrt{2})^2 = 8.057\ \rm{Å}^2$$。
对于 5 层构型,表面构型原子数$$N=5$$,因此表面能$$\sigma = \frac{E_{\rm{slab}} - NE_{0}}{2A} = 0.070\ \rm{eV/Å^2} = 1113\ \rm{mJ/m}^2$$。
对于 7 层构型,表面构型原子数$$N=7$$,因此表面能$$\sigma = \frac{E_{\rm{slab}} - NE_{0}}{2A} = 0.075\ \rm{eV/Å^2} = 1196\ \rm{mJ/m}^2$$。
可以看到 7 层的构型相比于 5 层算出的表面能还差别较大,所以需要增加层数一直到表面能收敛。
这里金刚石结构我们又名为 CD(Cubid Diamond)结构
算例链接:https://gitee.com/mcresearch/abacus-user-guide/tree/master/examples/surface_energy/Si_CD100
这一步我们用晶格弛豫方法找到 CD Si 的平衡构型以及平衡能量。
链接:https://gitee.com/mcresearch/abacus-user-guide/tree/master/examples/surface_energy/Si_CD100/0_bulk
运行完算例后,用命令
grep FINAL_ETOT_IS OUT.example/running_cell-relax.log
得到体系总能量为 -214.516 eV
,由于原胞内有两个原子,因此$$E_{0}=-107.258\ \rm{eV}$$。
从 OUT.example/STRU_ION_D
文件中可以读到平衡晶格常数为$$a_0=10.351\ \rm{Bohr}$$,它将用于表面构型的构造。
这一步我们搭建表面体系并计算其总能量。
我们搭建了一个 9 层的表面构型,如下图所示:
计算总能量时,可以根据实际需要选择是否做结构优化,这个例子里,为了计算省时,我们没有做结构优化。
用 grep FINAL_ETOT_IS OUT.example/running_scf.log
得到总能量为 -961.337 eV
,因此$$E_{\rm{slab}}=-961.337\ \rm{eV}$$。
对于上述构型,表面面积$$A=(a_0 / \sqrt{2})^2 = 15.015\ \rm{Å}^2$$,表面构型原子数$$N=9$$,因此表面能$$\sigma = \frac{E_{\rm{slab}} - NE_{0}}{2A} = 0.133\ \rm{eV/Å^2} = 2126\ \rm{mJ/m}^2$$。
与实验值
注:以上为表面能计算示例,若有问题欢迎邮件联系(见上)。
[1] Eaglesham D J, White A E, Feldman L C, et al. Equilibrium shape of Si[J]. Physical Review Letters, 1993, 70(11): 1643.
[2] Messmer C, Bilello J C. The surface energy of Si, GaAs, and GaP[J]. Journal of Applied Physics, 1981, 52(7): 4623-4629.