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ASE 从入门到精通第一章

ASE

催化建模

吸附计算

结构驰豫

ASE催化建模吸附计算结构驰豫

量子御坂

发布于 2023-08-08

推荐镜像 :Basic Image:bohrium-notebook:2023-04-07

推荐机型 :c2_m4_cpu

ASE 从入门到精通第一章

目标大纲

第一章: ASE简介与快速入门

本章目标

0：安装ASE

1 模型构建，可视化与SCF计算

1.1 原子对象

1.2 添加计算器

2 结构优化：以吸附态为例

3 输入与输出

4 案例总结：N2在Cu上的吸附

5 分子动力学（Molecular dynamics）计算示例

6 本章总结

ASE 从入门到精通第一章

代码

文本

©️ Copyright 2023 @ Authors
作者：刘照清（波本） *** 📨
日期：2023-08-08
共享协议：本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。
快速开始：点击上方的 开始连接 按钮，选择 bohrium-notebook:2023-05-31 镜像 和任意配置机型即可开始。
第一章参考：快速开始ASE | 氮气分子在Cu表面的吸附

代码

文本

🎯 本教程旨在全面掌握使用 ASE 模块建立分子，晶体和表面模型并进行计算。

从计算模拟的常用思路出发进行讲解，易于理解与上手
一键运行，你可以快速在实践中检验你的想法。
丰富完善的注释，对于入门者友好。

代码

文本

目标大纲

基于实例掌握 ASE 的建模，可视化与计算方法

第一章：ASE快速入门
第二章：ASE基础模块简析
第三章：ASE表面吸附计算与数据库
第四章：ASE全局优化方法
第五章：ASE计算扩散与解离性质
第六章：ASE分子动力学方法
第七章：ASE外接其他软件
第八章：ASE高级操作

代码

文本

第一章: ASE简介与快速入门

本章将从 $N_{2}$ 在Cu(111)表面的吸附为例来掌握ASE的建模，可视化与基本计算方法

代码

文本

本章目标

在学习本教程后，你将能够：

使用 ASE 定义分子或晶体。
计算体系能量并进行结构弛豫。
使用 ASE 读取或写入原子文件
可视化原子文件
使用 ASE 进行分子动力学计算

阅读该教程【最多】约需 12 分钟，让我们开始吧！

代码

文本

0：安装ASE

以Bohrium镜像为例检查ASE是否已经安装。如果没有安装，我们采用pip快速安装

代码

文本

[ ]

# 以下命令判断该环境中是否存在所需模块，如果没有，则使用 pip 快速安装。

! if ! /opt/mamba/bin/pip show ase > /dev/null; then /opt/mamba/bin/pip install --upgrade --user ase; fi;

代码

文本

1 模型构建，可视化与SCF计算

代码

文本

1.1 原子对象

Atoms 对象是原子的集合。以下是如何通过直接指定两个氮原子的位置来定义 $N_{2}$ 分子的方法

代码

文本

[2]

from ase import Atoms

d = 1.10

molecule = Atoms('2N', positions=[(0., 0., 0.), (0., 0., d)])

代码

文本

您也可以使用lattice模块构建晶体，该模块返回对应于常见晶体结构的 Atoms 对象。让我们制作一个Cu（111）表面：

代码

文本

[3]

from ase.build import fcc111

slab = fcc111('Cu', size=(4,4,2), vacuum=10.0)

代码

文本

直接通过代码构建模型的感觉怎么样？可能心里没有那种“所见即所得”的建模软件踏实。让我们看看我们的模型构建的怎么样，这可以通过ase.visualize的view()方法完成

代码

文本

[4]

from ase.visualize import view

view(molecule)

view(slab) # can be done by vscode

<Popen: returncode: None args: ['/home/james/apps/anaconda3/envs/pyscf/bin/p...>

代码

文本

view() 将弹出一个 ase.gui 窗口，这个窗口是交互式的，可以更换可视化角度并选择原子等。

但请注意，默认的 viewer 使用的是 ase.gui 窗口，无法在 notebook 中展示。

可以通过指定可选的关键字 viewer=... 来使用备用查看器。

（请注意，这些备用查看器不是ASE的一部分，用户需要单独安装。）

在 bohrium notebook 中，最佳的 viewer 参数是 ngl 或 x3d

ngl 需要 nglview 的支持。一般来说，你的镜像已经安装了nglview，如果没有安装，请执行以下命令

代码

文本

1.2 添加计算器

在这个ASE教程中，大部分的计算采用有效介质理论（EMT）计算器，因为它非常快速。但需要注意的是，其他的计算器都可以通过ase.calculator附加在 ASE 模块上，比如VASP, GPAW, pyscf, 以及ABACUS

我们可以将计算器附加到先前创建的 Atoms 对象上：

代码

文本

[5]

from ase.calculators.emt import EMT

slab.calc = EMT()

molecule.calc = EMT()

代码

文本

并使用Atoms类的get_potential_energy()方法来使用它计算系统的总能量：

代码

文本

[6]

e_slab = slab.get_potential_energy()

e_N2 = molecule.get_potential_energy()

print(f'N2 的能量是：{e_N2}')

print(f'Cu 的能量是：{e_slab}')

N2 的能量是：0.44034357303561467
Cu 的能量是：11.509056283570382

代码

文本

2 结构优化：以吸附态为例

让我们使用拟牛顿优化（Quasi-Newton）方法优化 $N_{2}$ 分子在铜表面上吸附的结构。首先需要将吸附剂添加到铜片上，构建表面吸附模型

代码

文本

[7]

from ase.build import add_adsorbate

h = 1.85

add_adsorbate(slab, molecule, h, 'ontop')

代码

文本

为了更好地模拟“从体相延伸出去的表面”体系，也为了加快优化速度，一般来说计算表面吸附与反应体系时，会固定相对底面的1-2层原子。

简单起见，此处让我们使用来自 ase.constraints 约束模块的 FixAtoms 将所有 Cu 原子固定，只允许 $N_{2}$ 分子松弛到平衡结构。由于EMT计算器计算速度很快，这块原子固定操作可以不进行。

需要注意的是，被固定的原子仅仅是不参与驰豫，而不是不参与计算。因此，被固定的原子仍然会对体系的总能量产生影响。

代码

文本

[8]

from ase.constraints import FixAtoms

constraint = FixAtoms(mask=[a.symbol != 'N' for a in slab])

slab.set_constraint(constraint)

代码

文本

现在将拟牛顿最小化器连接到系统并保存轨迹文件。在给定的收敛准则运行优化计算，即所有原子的力应小于某个 fmax：

代码

文本

[9]

from ase.optimize import QuasiNewton

dyn = QuasiNewton(slab, trajectory='N2Cu.traj')

dyn.run(fmax=0.05)

                Step[ FC]     Time          Energy          fmax
*Force-consistent energies used in optimization.
BFGSLineSearch:    0[  0] 23:03:22       11.689927*       1.0797
BFGSLineSearch:    1[  2] 23:03:23       11.670814*       0.4090
BFGSLineSearch:    2[  4] 23:03:23       11.625880*       0.0409

True

代码

文本

自然，这里也可以采用其他的优化器，比如优化中常用的BFGS, CG等等。

代码

文本

[12]

from ase.optimize import BFGS

import os

os.system("rm -f N2Cu.traj")

dyn2 = BFGS(slab, trajectory='N2Cu.traj')

dyn2.run(fmax=0.05)

      Step     Time          Energy         fmax
BFGS:    0 23:04:17       11.625880        0.0409

True

代码

文本

到这里我们就得到了弛豫后体系的总能量是 11.803869 eV。

让我们计算一下吸附能。

代码

文本

[13]

print('吸附能:', e_slab + e_N2 - slab.get_potential_energy())

吸附能: 0.3235194223180837

代码

文本

3 输入与输出

ASE的输入与输出主要通过ase.io模块中的方法进行

可以调用其中的 write() 函数将原子位置写入文件：

代码

文本

[ ]

from ase.io import write

write('slab.xyz', slab) # 保存为 extxyz 格式

代码

文本

这将以xyz格式编写文件。可能的格式有：

格式	描述
`xyz`	常规的xyz格式（其实是`extxyz`格式）
`cube`	高斯立方体文件
`pdb`	蛋白质数据储存文件
`traj`	ASE自己的轨迹格式
`py`	Python脚本

此处的extxyz格式是xyz格式的加强版，既保留了xyz格式的基本信息，又在此基础上增加了对体系各种属性（能量，原子受力，维里）等的读写支持，这种格式的文件被广泛应用于各种软件中，如分子动力学可视化软件Ovito，以及图神经网络机器学习势Nequip

代码

文本

从文件中读取化学信息则常用ase.io模块的read()函数，具体的方法如下：

代码

文本

[ ]

from ase.io import read

slab_from_file = read('slab.xyz')

代码

文本

4 案例总结：N2在Cu上的吸附

将以上代码合并，即为通过ASE简单考察N2在Cu111表面吸附的全过程连续代码

代码

文本

[14]

from ase import Atoms

from ase.calculators.emt import EMT

from ase.constraints import FixAtoms

from ase.optimize import QuasiNewton

from ase.build import fcc111, add_adsorbate

h = 1.85

d = 1.10

slab = fcc111('Cu', size=(4, 4, 2), vacuum=10.0)

slab.calc = EMT()

e_slab = slab.get_potential_energy()

molecule = Atoms('2N', positions=[(0., 0., 0.), (0., 0., d)])

molecule.calc = EMT()

e_N2 = molecule.get_potential_energy()

add_adsorbate(slab, molecule, h, 'ontop')

constraint = FixAtoms(mask=[a.symbol != 'N' for a in slab])

slab.set_constraint(constraint)

dyn = QuasiNewton(slab, trajectory='N2Cu.traj')

dyn.run(fmax=0.05)

print('吸附能:', e_slab + e_N2 - slab.get_potential_energy())

                Step[ FC]     Time          Energy          fmax
*Force-consistent energies used in optimization.
BFGSLineSearch:    0[  0] 23:19:19       11.689927*       1.0797
BFGSLineSearch:    1[  2] 23:19:19       11.670814*       0.4090
BFGSLineSearch:    2[  4] 23:19:19       11.625880*       0.0409
吸附能: 0.3235194223180837

代码

文本

同样可以使用view()函数对我们优化得到的表面吸附体系进行可视化

代码

文本

[ ]

from ase.visualize import view

view(slab) # can be done by vscode

代码

文本

5 分子动力学（Molecular dynamics）计算示例

ase中的ase.md模块可以进行分子动力学计算，这里让我们以氮分子为例，用 VelocityVerlet 算法来简单运行分子动力学模拟。

我们首先创建 VelocityVerlet 对象，将其赋予分子（即N2的Atoms对象）和用于牛顿定律积分的时间步长。

然后，我们通过调用其 run() 方法并告诉它要执行多少步骤来执行动力学：

代码

文本

[17]

from ase.md.verlet import VelocityVerlet

from ase import units # units模块用于定义单位

dyn = VelocityVerlet(molecule, dt=1.0 * units.fs)

for i in range(10):

pot = molecule.get_potential_energy()

kin = molecule.get_kinetic_energy()

print('%2d: %.5f eV, %.5f eV, %.5f eV' % (i, pot + kin, pot, kin))

dyn.run(steps=50)

 0: 0.43838 eV, 0.29518 eV, 0.14320 eV
 1: 0.43909 eV, 0.31878 eV, 0.12031 eV
 2: 0.44034 eV, 0.44008 eV, 0.00026 eV
 3: 0.43926 eV, 0.33273 eV, 0.10653 eV
 4: 0.43824 eV, 0.28343 eV, 0.15482 eV
 5: 0.44073 eV, 0.43975 eV, 0.00098 eV
 6: 0.43846 eV, 0.30187 eV, 0.13659 eV
 7: 0.43900 eV, 0.31207 eV, 0.12693 eV
 8: 0.44033 eV, 0.43928 eV, 0.00106 eV
 9: 0.43934 eV, 0.33987 eV, 0.09947 eV

代码

文本

6 本章总结

代码

文本

[ ]

# 运行完毕后删除生成的临时文件

import os

tmp_files = ['N2Cu.traj', 'slab.xyz']

for i in tmp_files:

os.remove(i)

代码

文本

在本教程中，您学习了在 ASE 中的一些基础方法。

具体而言，您了解到：

使用 ASE 定义分子或晶体。
计算体系能量并进行结构弛豫。
使用 ASE 读取或写入原子文件
可视化原子文件
使用 ASE 进行分子动力学计算

你有什么问题吗？欢迎与我们联系 bohrium@dp.tech 。

代码

文本

ASE

催化建模

吸附计算

结构驰豫

ASE催化建模吸附计算结构驰豫

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ASE 从入门到精通 第一章

目标大纲

第一章: ASE简介与快速入门

本章目标

0：安装ASE

1 模型构建，可视化与SCF计算

1.1 原子对象

1.2 添加计算器

2 结构优化：以吸附态为例

3 输入与输出

4 案例总结：N2在Cu上的吸附

5 分子动力学（Molecular dynamics）计算示例

6 本章总结

ASE 从入门到精通第一章