过渡态理论即活化络合物理论(transition-state theory)。以量子力学对反应过程中的能量变化的研究为依据,认为从反应物到生成物之间形成了势能较高的活化络合物,活化络合物所处的状态叫过渡态。
反应物分子在从初态到终态de 反应进程中,先活化成处于过渡态的活化络合物,再分解成产物。反应物与活化络合物之间处于热力学平衡,活化络合物以一定的速率分解为产物。
我们通过本教程来给大家介绍一种模拟反应过渡态的方法——CI-NEB (climbing image nudged elastic band)方法。
简单介绍一下CI-NEB方法。
NEB是一种在已知反应物和生成物之间查找鞍点和最小能量路径的方法。该方法的工作原理是沿反应路径优化多个中间图像。每个图像在保持与相邻图像相等的间距的同时,找到尽可能低的能量。
因此,只能确定鞍点位于哪两个结构之间,无法准确鞍点具体位置,也就无法完全确定过渡态。
CI-NEB方法是对NEB方法做了一些改良,其中最高能量图像被驱动到鞍点处。此图像感觉不到沿能带方向的弹簧力。相反,沿切线显示此图像的真正力是倒置的。
通过这种方式,图像尝试最大化其沿能带方向的能量,并最小化所有其他方向的力。当此图像收敛时,该图像所处的位置就是鞍点的确切位置。
但是对于NEB的这些改进并没有包含在VASP软件包中,我们需要通过VTST脚本来实现(需要重新编译支持CI-NEB的VASP)。
NEB方法和CI-NEB方法的对比
下面讲解一下如何用CI-NEB方法计算过渡态。
1.首先我们需要对初猜的初态末态结构进行优化,这里建议设置IBRION = 2(建议所在文件夹建议命名为ini和fin)。优化之后一定要确定初态末态结构的原子序号要一一对应,如果序号不对需要手动进行调整。
2.优化结束后就需要在初态末态结构间进行线性插点。这里需要用到nebmake.pl脚本,插点命令为:nebmake.pl ini/…/CONTCAR fin/…/CONTCAR n (n为插点个数),如果n=4,运行命令后会生成00、01、02、03、04这样5个文件夹。同时需要通过nebavoid.pl 1命令来保证插入的结构中原子间距大于1。
3.接下来就需要准备输入文件,INCAR,KPOINTS和POTCAR文件放在和00、01、02、03、04文件夹同级的目录下(将ini和fin的OUTCAR分别复制到00,n+1文件夹中,便于后续分析)。KPOINTS和POTCAR文件不需要特别说明,和前面优化初末结构时保持一致即可,我们需要说一下INCAR文件。
INCAR中非过渡态参数与初末结构优化一致,需要注意的参数如下:
4.接下来提交任务即可,在计算过程中可以通过nebefs.pl脚本实时监测,检查是否收敛。
5.计算结束后,需要使用nebresults.pl脚本来处理计算结果,输出mep曲线。