Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 用Adsorption Locator确定表面吸附位

用Adsorption Locator确定SO2在Ni(111)表面的位置

背景：本教程的灵感来自Harrison等人(2006)关于“Cu(111)和Ni(111)上SO2和SO3结构的密度泛函理论研究”的论文。SO2和SO3分子吸附的重要性关系到从电站排放的污染物中去除这类环境污染物的必要性。本文使用DFT计算给出了一些吸附SO2分子的几何构型。

Adsorption Locator可在两种情况下用作准备和筛选工具:

自动生成吸附构型，随后可作为进一步DFT研究的起点，如上述论文所述。
使用力场法获得每个生成构型的能量排序，从而表明首选吸附位点。
目的：介绍了利用Adsorption Locator研究不同类型吸附剂在不同性质基质上的吸附。

本教程重要节点：

准备结构-设置Adsorption Locator计算-分析结果-总结

1.    准备结构。

本教程需要准备Ni(111)表面结构和SO2吸附质分子结构。首先准备SO2分子。

从菜单栏中选择File| New… 打开New Document对话框, 双击3D Atomistic选项。采用画图工具栏，build an SO2 molecule并定义S-O 键是双键, 点击 Clean按钮。 从菜单栏中选择File|Save，保存SO2.xsd。（如果在这个建模过程中需要帮助请查看 Sketching a benzamide molecule 教程。）

在将SO2吸附在Ni(111)表面前，需要对SO2分子进行优化。

选择Modules | Forcite | Calculation 按钮，打开 Forcite Calculation 对话框。在Setup 栏中, 将计算任务改为Geometry Optimization，然后Quality选择Fine。选择 Energy栏，将力场改变为COMPASS力场，点击Run按钮。

当本计算任务完成后，优化好的SO2结构显示在文件夹 Forcite GeomOpt中的SO2.xsd。

现在可以建立一个Ni(111)表面。

选择File|Import… 打开 Import Document 对话框。导航至Structures/metals/pure-metals，然后输入Ni.msi。

从菜单栏中选择 Build | Surfaces | Cleave Surface选项，打开 Cleave Surface对话框。 将 Cleave plane (h k l)变为 1 1 1然后点击 TAB 键。增加 Fractional Thickness到6.0，然后点击TAB键。点击 Cleave按钮然后关闭对话框。

确定结构中层的数目来使得计算中Ni(111)表面的深度比模拟过程中所用的非键截断距离要大。截断距离的选择通常是考虑精度与计算时间之间的权衡。本教程采用6 层 Ni原子，给足够的深度以至于SO2分子仅仅与表面层间上的Ni原子产生非键相互作用，并没有增加多余的计算时间。

下面需要建立一个 2×2 的超晶胞来扩大SO2分子在Ni（111）表面的实际区域。

从菜单栏中选择Build | Symmetry | Supercell打开 Supercell对话框，增加U 和 V的数值为2，然后点击 Create Supercell 按钮，Close对话框。

这个结构应该转变为3D周期结构。因为采用了3D 周期性边界条件, 所以真空层的厚度要足够大已使得吸附质分子与周期单胞底层的原子间不存在非键相互作用。真空层的厚度确定依赖于非键截断距离和吸附质分子的形状。这个一般被过高估计来确保吸附质分子仅与表面产生相互作用。

既然这样，Ni表面层与下一个Ni表面层之间需要15 Å的真空层来确保下一个重复单元与Ni表面和SO2分子间不存在非键相互作用。了解建立真空层的方法，可以参考 Docking molecules onto surfaces教程。

菜单栏中选择 Build | Crystals | Build Vacuum Slab 打开Build Vacuum Slab对话框， 设置Vacuum thickness为 15.0，然后点击Build按钮。

为了更清楚地显示Ni原子可以选择球棍模型。

菜单栏中选择 View | Display style 打开Display Style 对话框，在 Atom栏中，将 Display style 改变为 Ball and stick，然后关闭对话框。

2. 设置Adsorption Locator计算

现在需要执行 Adsorption Locator计算，需要设定精度、力场和选择计算中的吸附位置的方法。

从Modules中点击Adsorption Locator，

或者选择下拉菜单中的 Calculation按钮打开Adsorption Locator Calculation 对话框，确保Ni(1 1 1).xsd 是活性文件。

在Setup栏中将Quality改为Fine，在Adsorbate下拉菜单中选择SO2 Forcite GeomOpt/SO2.xsd分子，设置 Loading是 1。

在Energy选项卡上，从Forcefield下拉列表中选择COMPASS。

在Location 栏中，选上Surface region defined by atom set。

当 Quality 被设定为 Fine 时，计算将会采用许多退火模拟循环且每个循环中有很多步数，因此很好的统计数据将会得到。

现在需要选择原子来定义表面区域。

选择top layer of Ni atoms，这将显示为黄色。

提示：如果您不熟悉选择原子，请参考Opening and viewing 3D documents教程。

在Adsorption Locator Calculation对话框中的Location栏中, 点击 Add 按钮selected atoms in the TargetAtoms set。选择set maximum adsorption distance的设置, 键入值 5.0。

确定selected target atoms后设定的maximum distance所定义的区域将会使吸附质分子被引入的区域。5.0 的距离允许体系确定不同构型的SO2吸附质在 Ni表面的吸附。如果 maximum adsorption distance 太小，某些SO2构型将得不到，如果太大构型数目将会增加。

fixed energy window被用来选择哪种被返回的构型, 所以所有不同于最低构型的构型在小于100Kcal/mol将会被返回。最初计算时采用范围较宽的energy window是合理的，这是为了确保构型不容易被丢失。

在Properties栏中检查all properties，选择Fixed energy window，然后键入100 kcal/mol。

下面开始计算。

点击run按钮然后关闭对话框。

3. 分析结果

当计算开始时，MS会建立一个新的名为 Ni (1 1 1) Adsorption Anneal的文件夹，一旦计算完成，所有结果将会保存在此文件夹中。

打开Ni (1 1 1) Fields.xsd。

这个文件显示了吸附位的区域, 更高的密度点表明了更可能的吸附位。

Right-click此文件选择Display Style按钮，打开 Display Style对话框。在Field栏中点击Color by field values，选择Volume display style，关闭对话框。

现在最可能的吸附范围以绿色显示，最不可能的吸附位以红色显示。

打开 study table Ni(1 1 1).std。

此文件包含了最低能量构型的结构和能量。比较计算得到的最低能量构型与paper中报道的最低能量构型。

用Cu代替Ni ，Repeat上述吸附位计算

4. 总结

吸附位计算与下面的结果类似。

提示：为了更好的显示这个Ni表面的能量区域，选择所有非表面的Ni原子，在Display Style 对话框中，将显示方式改为None。

因为MC法是一种统计学近似，与中等精度计算的结果将会稍微有所不同。为了获得重复计算结果的一致性，时间更长、更准确的模拟是必须的。

对于SO2 在N表面, bridge site对应最低能量的位置, 这与 Harrison, Woodruff和Robinson文章中的结果是一致的。他们也报道了针对 SO2 在Cu表面吸附 bridge 和 hollow位能量没有显著差异。

参考文献

“Density functional theory investigation of the structure of SO2 and SO3 on Cu(111) and Ni(111)” by M. J. Harrison, D. P. Woodruff , and J. Robinson, Surface Science, 600, 1827, (2006)

本入门教程到此结束。