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如何使用lammps内部建模命令来创建data文件
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如何使用lammps内部建模命令来创建data文件
在lammps模拟中，必不可少的就是data文件，因为data文件就是你所模拟的模型，data文件的创建方法很多，可以分为两类，一是使用建模软件来创建data 文件，我们称之为外部建模；另一种是使用lammps自生的建模命令来创建data文件，我们称之为内部建模。这里暂时介绍第一种如何使用lammps内部建模命令来建立data文件？内部建模需要的lammps命令有很多，例如：lattice，region，create_atoms，create_box等很多命令，具体可以查看lammps手册。下面就lammps内部建模来交流一下：
lammps命令建模大致可以分为四个步骤描述：
用units 命令定义单位
lattice 命令定义单胞
region以及create_box命令定义区域和创建盒子
create_atoms 命令创建原子
1. 首先来说说units：
style
style = lj or real or metal or si or cgs or electron or micro or nano
这条命令设置了模拟中使用的单位样式。它决定了在输入脚本和数据文件中指定的所有数量的单位，以及输出到屏幕、日志文件和转储文件的数量。通常情况下，这条命令在输入脚本的最开始使用。
2. lattice的语法与说明：
lattice style scale keyword values ...
style可以是 none, sc, bcc, fcc, hcp, diamond, sq,sq2, hex 或者 custom
scale是style选项下的参数，比如（当units ≠ lj 时）style填bcc, 那么scale就填体心立方的晶格常数a0的值（当 units 为lj 时，这里的scale就是电子密度值，使用其他units时，scale都是晶格常数）。
需要注意的是，当指定了 lattice的scale之后，位于lammps输入脚本中关于长度的值，其单位就是scale（表示几倍scale长）。
零个或更多个 keyword/value 键值对可以被添加
keyword可指定为 origin, orient, spacing, a1, a2, a3或者 basis
对于所建立的晶胞，我们都可以进行平移origin和旋转orient操作
origin 配对的值是三个数字 (x y z) 意思是对单位晶胞里的所有原子的整体平移量，单位晶胞的楞长默认为1，x,y,z的值为偏移量和棱长的比值(0 <= x,y,z <1)，缺省值为（0 0 0）。为了便于后续分析，以及避免建模边界原子重合，我们一般会给一个比较小的偏移量（0.1 0.1 0.1）.
orient 作用是旋转晶胞方向。盒子默认方向为（x 0 0 1） (y 0 1 0) (z 0 0 1)，可以认为orient命令将晶胞的指定晶向旋转至模拟盒子的三条坐标轴，然后将晶胞在盒子里重新排布。orient配对的值格式为 dim i j k，其中dim的值是字母 ‘x’ , ‘y’ 或者’z’，表示空间的三条轴。i j k 为该轴指向向的晶向，其值为整数，例如“orient x 2 1 0” 意思是旋转过后模拟盒子的x轴将会指向 [210] 晶向。三个方向要求满足正交以及右手定则。做旋转处理时，盒子原本的周期性不能被保证，如果仍然要保持其周期性，则先建模运行，然后看lammps的屏幕输出lattice spacing in x,y,z后的值，记为sx,sy,sz。然后将建立的模型放到ovito中切片观察，计算出xyz各个方向上的最小排布周期长度，记为slx,sly,slz。他们必须满足如下关系：
sx*m1=slx*n1
sy*m2=sly*n2
sz*m3=slz*n3
其中m1,2,3以及n1,2,3均为整数，于是取盒子大小为(sx*m1 sy*m2 sz*m3)
旋转操作一般被用来建立不同方向的界面。
spacing配对的值是 dx dy dz，为两个单胞之间的间距
如果我们的style取的是custom，那么我们可以通过a1,a2,a3 和 basis 这两个关键词来指定基矢和单胞里的原子在基矢中的定位
a1,a2,a3 各自配对的值为（x y z）意思是a1 a2 a3这三个基矢的值，用来定义单胞的基矢。缺省值对于三维的sc、fcc、bcc和diamond类型的原子，他们的棱长默认为1个单位，默认的基矢为a1 （1 0 0）；a2 （0 1 0）；a3 （0 0 1）。hpc类型a1 = 1 0 0；a2 =0 sqrt(3) 0；a3 = 0 0 sqrt(8/3)。
basis 配对的值是（x y z），表示在基矢定义的空间的一个位置，如有多个位置，则定义多个basis
对于三维的sc、fcc、bcc和diamond类型的原子，这些已有的类型不需要指定基矢和basis，但是我们可以用custom的style加上基矢和basis的参数来建立同样的模型。bcc, fcc, sc的基矢为a1 = 1 0 0；a2 = 0 1 0；a3 = 0 0 1，bcc默认basis原子（0 0 0）（0.5 0.5 0.5）,fcc的basis （0 0 0）（0 0.5 0.5）（0.5 0.5 0）（0.5 0 0.5）, sc 的basis（0 0 0）。hpc类型的基矢a1 = 1 0 0；a2= 0 sqrt(3) 0；a3 = 0 0 sqrt(8/3)。
3. region命令用于定义一个空间几何区域。
使用语法： region ID style args keyword arg ...
ID= 待定义区域的ID
style= delete / block / cone / cylinder / plane / prism / sphere / union / intersect
使用举例：
region1 block -3.0 5.0 INF 10.0 INF INF
region2 sphere 0.0 0.0 0.0 5 side out
regionvoid cylinder y 2 3 5 -5.0 EDGE units box
region1 prism 0 10 0 10 0 10 2 0 0
regionoutside union 4 side1 side2 side3 side4
region2 sphere 0.0 0.0 0.0 5 side out move v_l
使用介绍
该命令用于定义一个空间几何区域。很多其他命令都会使用该命令定义的区域。举例来说，create_atoms可以在定义区域中创建原子，create_box命令可以根据定义区域定义模拟盒子，group命令可以将定义区域中包括的原子定义为一个组，delete_atoms命令可以将定义区域中的原子删掉，fix wall/region可以将定义区域的表面定义为壁面（boundary wall）。
大多数使用region命令所定义区域的命令都需要检测某个原子的位置是否在区域内。刚好在区域边界上原子被认为是属于所定义区域的。举个例子，对于一个球形区域而言，如果在定义的时候使用了关键字side in，那么球形区域表面上的原子就是该定义区域的一部分；如果使用了关键字side out，那么球形区域表面上的原子就不属于该区域的一部分。详细可以参考下面的side关键字。
一般来说，LAMMPS所定义的区域都是静态的，也就说所定义的几何空间范围并不会随着时间而改变。但如果使用了关键字move或rotate，如下文所要介绍的，区域就会变成动态的，也就是说所定义区域的位置和朝向会随着时间发生改变。在有些时候，这种动态区域是比较有用的，比如在使用命令compute temp/region对一个区域进行恒温，或使用fixwall/region命令将包含运动粒子的区域表面定义为壁面时。
delete类型：删除指定的区域。因为定义冗余的区域并不会占用太大的开销，所以一般不需要这样做，除非在你的输入脚本中定义了大量了区域。
block/ cone / cylinder / prism类型中参数lo/hi的值可以指定为EDGE或INF。
EDGE是指所定义方向一直延伸到所在方向模拟盒子的边界。需要注意的是，这里所说模拟盒子的边界是指当前盒子的边界。换句话说，如果模拟盒子在模拟的过程中发生了改变，按着这种方式定义的区域并不会随着改变。
INF是指一个非常大的负数或正数(1.0e20)，所以即便模拟盒子在模拟过程中发生改变了，使用该定义仍然能将其包括到区域中。
如果模拟盒子还没有创建，那么在使用region定义区域的时候就不能使用EDGE或INF（译注：这是显然的，因为EDGE和INF都是相对于模拟盒子来说的）。
对于prism类型的区域，如果某个倾斜因子不为0，那么它所对应的两个维度上lo/hi都不能设为INF。举例来说，如果xy倾斜因子设为非零，那么xlo/xhi和ylo/yhi都不能设为INF。
下面举几个建模例子，同学们多研究研究下面的例子，结合lammps手册来学习，需要的同学可以参考一下：
Example1:
#注：本模板构建石墨烯模atom_style atomic#告诉LAMMPS你的模型中包含什么（键角，电荷还是只有原子）lattice custom 2.4595 a1 1.00000 0 0 &a2 0 1.73203 0 &basis 0 0 0 &basis 0.5 0.16666666666666666 0 &basis 0.5 0.5 0 &basis 0 0.6666666666666666 0#定义原子排列规则region box block -210 210 -240 240 -5 200 units lattice#划分盒子区域create_box 1 box#定义盒子内包含的原子种数region graphene block -210 210 -240 240 0 0.1 units lattice#在盒子内划出一个区域create_atoms 1 region graphene#按照定义好的原子排列规则在graphene区域中填充类型1的原子mass * 12.011#定义原子质量write_data struc.lmp#输出LAMMPS可以读取的data文件
Example2:
SiC-3C
atom_style atomic
lattice custom 4.36 &
a1 1.0 0.0 0.0 &
a2 0.0 1.0 0.0 &
a3 0.0 0.0 1.0 &
basis 0.0 0.0 0.0 &
basis 0.5 0.0 0.5 &
basis 0.0 0.5 0.5 &
basis 0.5 0.5 0.0 &
basis 0.25 0.25 0.25 &
basis 0.75 0.25 0.75 &
basis 0.25 0.75 0.75 &
basis 0.75 0.75 0.25
region box block 0 1 0 1 0 1 units lattice
create_box 2 box
create_atoms 2 box basis 1 2 basis 2 2 basis 3 2 basis 4 2 &
basis 5 1 basis 6 1 basis 7 1 basis 8 1
Example3:
SiC - 2H
variable alattice equal 3.079
variable basis2 equal 3/8
lattice hcp ${alattice}
region box block 0 1 0 1 0 1
create_box 2 box
create_atoms 1 region box basis 1 1
lattice hcp ${alattice} origin 0 0 ${basis2}
create_atoms 2 region box basis 1 2
Example4:
SiC - 4H
variable a equal 3.073000
variable b equal $((v_a*sqrt(3)))
variable c equal 10.053000
lattice custom 1.0 &
a1 $a 0.0 0.0 &
a2 0.0 $b 0.0 &
a3 0.0 0.0 $c &
basis 0.0 0.0 $((1.889964/v_c)) &
basis $((1.536500/v_a)) $((2.661296/v_b)) $((1.889964/v_c)) &
basis 0.0 0.0 $((6.916464/v_c)) &
basis $((1.536500/v_a)) $((2.661296/v_b)) $((6.916464/v_c)) &
basis 0.0 $((1.774197/v_b)) $((4.403214/v_c)) &
basis $((1.536500/v_a)) $((0.887099/v_b)) $((9.429714/v_c)) &
basis $((1.536500/v_a)) $((4.43549/v_b)) $((4.403214/v_c)) &
basis 0.0 $((3.5484/v_b)) $((9.429714/v_c)) &
basis 0.0 0.0 0.0 &
basis $((1.536500/v_a)) $((2.661296/v_b)) 0.0 &
basis 0.0 0.0 $((5.026500/v_c)) &
basis $((1.536500/v_a)) $((2.661296/v_b)) $((5.026500/v_c)) &
basis 0.0 $((1.774197/v_b)) $((2.513250/v_c)) &
basis $((1.536500/v_a)) $((0.887099/v_b)) $((7.539750/v_c)) &
basis $((1.536500/v_a)) $((4.435493/v_b)) $((2.513250/v_c)) &
basis 0 $((3.548395/v_b)) $((7.539750/v_c))
region sim block 0 1 0 1 0 1 units lattice
create_box 2 sim
create_atoms 1 box &
basis 1 2 &
basis 2 2 &
basis 3 2 &
basis 4 2 &
basis 5 2 &
basis 6 2 &
basis 7 2 &
basis 8 2
Example5:
SnO2
#Sn (atom type 1), O (atom type 2)
variable pos1 equal 0.193448055
variable pos2 equal 0.806551945
variable pos3 equal 0.693448055
variable pos4 equal 0.306551945
variable a equal 4.832336
variable b equal ${a}
variable c equal 3.243221
lattice custom 1.0 &
a1 $a 0.0 0.0 &
a2 0.0 $b 0.0 &
a3 0.0 0.0 $c &
basis 0 0 0 &
basis 0.5 0.5 0.5 &
basis ${pos1} ${pos2} 0.5 &
basis ${pos2} ${pos1} 0.5 &
basis ${pos3} ${pos3} 0 &
basis ${pos4} ${pos4} 0 &
region sim block 0 1 0 1 0 1 units lattice
create_box 2 sim
create_atoms 1 box &
basis 3 2 &
basis 4 2 &
basis 5 2 &
basis 6 2
Example6:
Ti - Omega
lattice custom 4.6064061 &
a1 0.5 -0.866025 0 &
a2 0.5 0.866025 0 &
a3 0 0 0.611 &
basis 0 0 0 &
basis 0.3333333 0.66666666 0.5 &
basis 0.6666666 0.3333333 0.5
region sim block 0 1 0 1 0 1 units lattice
create_box 1 sim
create_atoms 1 box
Example7:
C - Graphene (2D)
lattice custom 2.4595 a1 1 0 0 a2 0 1.73203 0 &
basis 0 0 0 &
basis 0.5 0.16666 0 &
basis 0.5 0.5 0 &
basis 0 0.66666 0
region sim block 0 2 0 3 0 0.1 units lattice
create_box 1 sim
create_atoms 1 box
https://blog.sciencenet.cn/blog-3437453-1300245.html
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