目的：说明在GULP中使用力场拟合功能来获取新的势能参数或精修现有参数的方法。

所用模块：Materials Visualizer、GULP

介绍

GULP中的当前库没有描述SnO₂块体结构的参数。因此，为了能够对这种材料进行建模并计算其各种性质，必须推导新的力场参数。可利用GULP中的力场拟合任务获得这些数据。在力场拟合过程中，使用了SnO2的体积模量、一些弹性常数和实验结构作为观测量。

本教程包括如下部分：

• 开始

• 定义力场类型和函数形式

• 定义拟合中使用的观测量

• 拟合过程

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。

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ff_library作为工程名，单击OK按钮。

新工程将以ff_library为工程名显示于Project Explorer中。将导入之后要研究的体系的晶体结构。

2、定义力场类型和函数形式

执行力场拟合任务的第一步是定义描述体系中不同相互作用的力场类型和函数形式。在本例中，需要为O-O、Sn-O和Sn-Sn双体项定义Buckingham参数。

创建新库时，可以通过两种不同的方式进行，可以从头创建新库文件（.lib），也可以修改现有库文件。在本教程中，将从头开始为SnO₂例子创建一个新库。库只是一个文本文档，因此必须打开一个文本文档。

单击工具条上的New按钮，从下拉列表中选择Text Document。将该文本文档重命名为SnO2.lib。

系统将提示更改扩展名可能会使文件无法使用。

单击Yes按钮，更改扩展名。

单击Modules工具条上的GULP按钮，从下拉菜单中选择Calculation。

打开GULP Calculation对话框。

将Task更改为Fit Forcefield。从Forcefield下拉列表中选择Browse...，打开Choose GULP Forcefield对话框，从下拉列表中选择SnO2.lib。将Charges更改为Forcefield assigned，单击More...按钮。

打开GULP Fit Forcefield对话框，在输入势场参数之前，需要定义原子类型。

单击Types...按钮。

打开GULP Forcefield Types对话框，其中列出原子类型和电荷定义。

GULP Forcefield Types对话框

将添加两种新的原子类型，即带有合适电荷的Sn core和O core。

在Type文本框输入O core，在Charge文本框中输入-1.025。在下一行中，输入Sn core和2.050。关闭GULP Forcefield Types对话框。

现在可以在GULP Fit Forcefield对话框中定义势场参数。

GULP Fit Forcefield对话框的Forcefield选项卡

需要为每个势场对定义函数形式，即O core - O core、Sn core - Sn core和Sn core - O core。

将Interaction type更改为Two-body。在Forcefield types部分，选择O core作为第一个力场类型，再选择O core作为第二个力场类型。在Functional forms部分，从下拉列表中选择Buckingham(buck)。

对O core - Sn core和Sn core - Sn core组合重复此步骤。

接下来，需要为每种情况输入以下参数（这些初始值取自Bandura et al. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 8386-8397）：

将Forcefield types更改回O core和O core。选择Buckingham(buck)函数形式。向下滚动到Parameter框并输入上述参数值。对O core - Sn core和Sn core - Sn core重复此步骤。

最初，将只拟合三个双体项的A参数。然后，将使用获得的A参数拟合rho参数，最后使用这些参数拟合C参数。需要指定A参数是想要拟合的参数。

对于每对势场，在Fit列中选中Buckingham A parameter的相应单元格。

单击Save按钮。

将创建一个新的.lib文件（SnO2_2.lib），包含所有已定义的原子类型和参数，其中包含：

关闭GULP Fit Forcefield对话框。

3、定义拟合中使用的观测量

为了获得SnO2库的Buckingham参数，在拟合中使用了以下观测值：

1. SnO2的实验结构

2. 实验体积模量：212.3 GPa

3. 实验弹性常数：C11=261.7，C33=449.6，C44=103.1，C66=207.4 GPa。

在GULP Fit Forcefield对话框中定义上述所有观测值之前，需要打开SnO₂结构。

单击工具条上的Import按钮，打开Import Document对话框。导航至Structures\metal-oxides\文件夹，双击SnO2.xsd。

当导入结构后，可以在对话框中定义所有的观测值。

在GULP Calculation对话框中，确保Forcefield为\SnO2_2。打开GULP Fit Forcefield对话框，选择Observables选项卡。

GULP Fit Forcefield对话框的Observables选项卡

将执行弛豫拟合以获得SnO₂库。弛豫拟合选项适用于弛豫时的结构位移，而不是偏移量。这也意味着任何可观测值都适合优化后的结构而非实验结构。

勾选Relaxed fit复选框。从Structure下拉列表中选择SnO2.xsd。要将实验结构定义为可观察值，需从Observable下拉列表中选择Fit to structure。

当拟合某个结构时，需要将它添加到可观察值中。

单击Add按钮。

SnO₂结构将出现在GULP Fit Forcefield对话框的Observables列表中。现在，将添加想要拟合的其他观察值。

将Observable更改为Bulk modulus。将Value设置为212.3，然后单击Add按钮。

将Observable更改为Elastic constant。确保1st Index设置为1，2nd Index设置为1。将Value设置为261.7。单击Add按钮。重复此操作：

1st Index = 3，2nd Index = 3，Value = 449.6；

1st Index = 4，2nd Index = 4，Value = 103.1；

1st Index = 6，2nd Index = 6，Value = 207.4。

GULP Fit Forcefield对话框的Observables选项卡，其值根据需要设置

关闭GULP Fit Forcefield对话框，保持GULP Calculation对话框为打开状态。

4、拟合过程

现在已经定义了函数形式和观测值，可以运行拟合计算。

单击GULP Calculation对话框上的Run按钮。

计算完成后，可以在.gout文件中找到拟合结果。新库返回到.lib文件中。

打开GULP输出文件SnO2_2.gout。

提示：输出文件的内容可能与此示例不同。

在.gout计算中，将找到新的A参数以及平方和的值，它给出了拟合质量的指标，例如：

.lib文档也将更新为A的优化值。

打开SnO2_2 GULP Fit\SnO2_2.lib。

A的值已从5000更改为4053.048。

如上所述，将使用此处获得的A参数的结果来拟合rho参数，然后再次获得C参数。为此，需要修改计算中使用的.lib文件，应该将此处获得的参数定义为计算得到的新值，并指定要拟合的参数。

打开GULP Calculation对话框。从Forcefield下拉列表中选择Browse...，打开Choose GULP Forcefield对话框。在SnO2_2 GULP Fit文件夹中选择SnO2_2.lib文档。

将导入新的力场文档。

打开GULP Fit Forcefield对话框，检查Forcefield types为O core和O core。向下滚动至已拟合的参数。

A的值已更新为4053。

注意：由于计算中的微小差异，力场的值可能与本例不完全相同，这是意料之中的。

勾选rho参数的Fit复选框。对O core - Sn core和Sn core - Sn core对电势重复此步骤。单击Save按钮。

将创建一个新的力场SnO2_2 GULP Fit\SnO2.lib。

在GULP Calculation对话框中，将Forcefield更改为SnO2_2 GULP Fit\SnO2.lib，并单击Run按钮。

计算完成后，需要拟合C参数。

重复最后几个步骤，打开新优化的力场并拟合C。

拟合A、rho和C后获得的SnO₂最终库为：

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。

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