目的：介绍利用GULP模块计算离子材料和分子固体性质的方法。

所用模块：Materials Visualizer、GULP

介绍

通常，Materials Studio中的经典模拟方法主要用于模拟液体或软材料的凝聚态以及分子结构。GULP模块可以模拟离子材料和分子固体，而离子材料和分子固体曾经是计算昂贵的量子力学计算领域。GULP除了可模拟传统的3D晶体结构外，还可计算2D表面和分子。

本教程将使用GULP简单计算金刚石的机械性能。然后创建一个金刚石表面并计算表面能。

本教程包括如下部分：

开始

优化结构和预测机械性能

计算金刚石的表面能

注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将工程中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。有关恢复默认参数设置的步骤，可参见创建工程教程（Creating a project tutorial）。

1、开始

首先启动Materials Studio并创建一个新工程。

打开New Project对话框，输入diamond作为工程名，单击OK按钮。

新工程将以diamond为工程名显示于Project Explorer中。现在，将导入要研究的体系的晶体结构。在本教程中，将对金刚石执行计算。

单击工具条上的Import按钮

，打开Import Document对话框。导航至Examples\Documents\3D Model，双击C.xsd。

应将金刚石的对称性更改为P1。

在菜单栏中选择Build | Symmetry | Make P1。

对于许多模拟，有必要将更高对称性的晶体结构转换为P1对称性。例如，在分子动力学模拟过程中，原子将离开其平衡位置，而中间位置将不满足高对称空间群的对称约束。本教程中使用P1对称性可以生成与Brenner等人（2002）的论文中使用的方向相同的弹性常数。

2、优化结构和预测机械性能

现在，已经准备好优化结构。这将是一个非常快速的计算，因为加载的结构之前已经过优化。

单击Modules工具条上的GULP按钮

从下拉菜单中选择Calculation。

将打开GULP Calculation对话框，其中有多个任务选项。此处将执行几何优化计算任务。

将Task更改为Geometry Optimization。

GULP有许多不同的力场库，它们使用了从两体相互作用到多体相互作用的各种方法。当对金刚石进行计算时，将使用Brenner势。Brenner势是一种键序势，可应用于含碳、氢和氧的体系。它在模拟金刚石和碳纳米管等结构方面较为有效。

从Forcefield下拉列表中选择Brenner，然后单击View...按钮。

力场库存储为文本文件，可以查看它们，以查看参考文献和电荷等信息。

关闭GULP Forcefield Library: Brenner视图。

可以通过GULP能量计算得到较多的性质。

选择Properties选项卡。

可以看到若干可计算的性质。对于一个很小的体系，如金刚石单位晶胞，这些都可以非常快速的计算，所以可以让勾选所有性质。

单击Run按钮。关闭GULP Calculation对话框。

计算完成后，将创建一个名为C GULP GeomOpt的新文件夹，包含以下文件：

C.xsd 是优化后的结构。由于声子性质是在频率计算期间获得的，因此该显示包括倒易晶格和布里渊区及路径。

C.xtd 包含多个帧，为每个优化步骤后的结构。

C.gin 是一个包含GULP输入文件的文本文档。

C.gout 是一个包含GULP输出的文本文档。

打开C.gout。按下CTRL+F键并查找Elastic Constant。

将C11、C12和C44值（单位为GPa）与Brenner等人（2002）发表的值进行比较。要将GPa转换为Mbar，只需将GPa中的值除以100即可。

3、计算金刚石的表面能

可利用下式计算表面能：

其中，Usurf是表面的能量，Ubulk是块体体系的能量，A是表面积。

根据之前的计算，已经得到了金刚石块体的能量，但这必须通过单位晶胞中原子的数量来归一化。

在C.gout中，搜索Total Lattice Energy，并记下以eV为单位的值。

应该接近-58.956 eV。由于表面上的原子比晶体中的原子多，因此必须调整块体能量以进行匹配。

将优化后的C.xsd打开为当前文档。在Properties Explorer中，将Filter更改为Symmetry System。记下NumberOfAtoms。

现在可以建立表面结构。

从菜单栏中选择Build | Surfaces | Cleave surface，打开Cleave Surface对话框。将Cleave plane更改为1 1 1，Fractional Thickness更改为4.0。单击Cleave按钮，关闭对话框。

将产生一个新的结构C (1 1 1).xsd。应使用和之前相同的设置对其进行优化。

打开GULP Calculation对话框，单击Run按钮。关闭对话框。

由于所研究的体系比之前更大，计算时间将比以前更长。计算完成后，可以查看输出文件。

打开C (1 1 1).xtd并单击Animation工具栏上的Play按钮

会看到表面上的原子位置稍有改变。

在Properties Explorer中，将Filter更改为Lattice 2D。单击Animation工具栏上的Step Forward按钮以检查各帧。

将看到表面积也会发生轻微变化。

记下轨迹最后一帧的CellArea。把Filter更改为Symmetry System，记下NumberOfAtoms。

表面积应约为22.2 Å2。需要的最后一条信息是表面结构的能量。

打开C (1 1 1).gout文件。查找Total Lattice Energy。记录下以eV为单位的值，并优化几何结构。

表面几何优化后结构的晶格能为-200.4 eV。现在可以计算表面能了。注意要按表面原子数与块体原子数之比来调整块体能量。

本教程到此结束。

本教程对应视频将在杨站长视频号、华算科技B站同步推送，敬请各位关注。

参考文献：

Donald W Brenner, Olga A Shenderova, Judith A Harrison, Steven J Stuart, Boris Ni and Susan B Sinnott, J. Phys.: Condens. Matter 2002, 14, 783.

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