专栏名称: 研之成理

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研之成理第二届固体与表面理论与计算中级培训班（表面场，北京，2019/11/17-21）

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2019-10-29 02:45

正文

前言

此次中级班培训为期4天，涵盖了1000多页PPT，几十个实战算例，计算案例操作视频，现场提供免费的超算上机练习。刘博士经过一年精心备课，此次培训通过深入表面计算领域最前沿，解密计算TOP期刊！

建议： 中级班课程要求学员曾上过初级班，或者有至少一年以上的第一性原理计算经验！ （初学者请先参加初级班，否则可能中级班完全听不懂！ ）

理论计算的文章要怎样发到JACS及以上的期刊？除了好的Idea，在技术上有四大法宝，中级班就是围绕这四个主题展开的。

1. 热力学分析

2. 动力学分析

3. 电子结构分析

4. 从头算分子动力学

5. 高通量计算+机器学习

课程特色

内容全面： 让表面科学计算的同学能够系统性的学习一遍计算知识和程序操作，让学员能够对此领域的一些知识具有更加深刻的认识。这些 内容在任何学校开设的研究生课程中都是学不到的，甚至是网上大多数人也不愿意分享的知识 。课上还会不断的穿插 顶刊文献 ，让学员知道如何把学到的知识用到顶刊的研究中。

简化操作： 每类计算都会给出多个实例和详细的输入文件，针对不同的情况选择不同的输入文件，搭建合理的结构模型，就可以把课上内容应用到自己的科研当中。课上会提供超算账号，在完全的实战环境下学习。淘汰老的计算脚本和方法， 把当前最好用最容易上手的脚本和方法分享，对新手极度友好 ，不走任何弯路。

课程系列： 研之成理「固体与表面理论计算培训班」分为 初级班 和 中级班 。中级班又分为表面科学计算方向和材料科学（固体）计算方向。初级班针对 0 基础（此 0 基础是指有本科物理或者化学专业基础课的知识背景）的学员，涵盖了第一性原理计算基础知识和常见的计算方法，是学习第一性原理计算入门最快最有效的方法。中级班则采用分专题的方式讲授，课程的深度广度都比初级班增加不少。 参加中级班一定要有第一性原理计算基础（至少一年以上的学习使用经验），一些在初级班上讲过的基础内容中级班不会重复！ 三个课程的涵盖内容可以用如下的图表示：

课程时间安排

培训具体内容

0. 第一性原理计算(初级班)快速回顾

1. 电子结构分析

       
        态密度

       
        态密度和能带形成的基本理论，案例分析（单原子催化剂，表面离子缺陷态，表面态，d带中心，催化吸附的轨道相互作用模型），态密度计算方法，p4vasp 和 VASPKIT 后处理分析，态密度的积分，pymatgen 自动画态密度图，K 点选取和 ISMEAR 对态密度计算影响，DOSCAR 详解，过渡金属金属的d带中心理论，N
        
         2
        
        分子和表面团簇催化剂的轨道相互作用模型分析。

       
         轨道相互作用基础知识，高斯计算提取分子轨道，载体和吸附分子态密度作用分析，CO/Ni，
         
          N
         
          2
         
         /Fe
         
          3
         
         催化剂的轨道相互作用模型分析。

电荷密度和原子电荷

       
        CHCGAR等格点文件格式，分解 CHGCAR 成 tot 和 mag，VESTA 作等值面图，二维切面图。VASPKIT处理电荷密度文件，电荷密度差分，分子 CO，
        
         N
        
         2
        
        吸附前后的电荷密度差，石墨烯插锂前后的电荷密度差；变形电荷密度；外场下的电荷密度差；平面平均的电荷密度差。Partial charge density 计算方法流程，实空间波函数提取，绘制分子的分子轨道图，绘制 VBM 和 CBM 的电荷密度/波函数，绘制缺陷态/隙间态的电荷密度/波函数，研究激发电子的分布，STM 计算和 Partial Charge Density 对应关系，STM “针尖偏压” 和 “恒定高度”模拟。Bader 电荷，全电子电荷密度生成，AIM(atom-in-molecule) 电荷划分方法，按照原子电荷着色的结构图。

       
        ELF、静电势和功函

       
        静电势/功函数概念和计算方法，异质结静电势，静电势分析表面负载团簇的电子流向，分子表面或载体表面静电势分布，受阻路易斯酸碱对。电子定域化函数(ELF)，ELF研究表面催化反应过渡态、电子化合物、缺陷态、分子团簇、吸附分子。

       
        COOP、COHP

       
        晶体轨道重叠布居 COOP 和晶体轨道哈密顿布居 COHP 基本原理，文献案例：单原子催化模型/ 电催化模型/ 高压材料/ 磁性材料/ 镧硼新材料等 COHP 分析。Lobster 计算 COOP 和 COHP 方法，Wxdragon 使用，计算 COHP 的 INCAR 和注意事项，lobsterin 输入文件，投影到基组的类型，Spilling 误差，指定原子对，指定距离范围，高斯展宽，打印 Mulliken and Löwdin 电荷，Lobster 计算重启，输出轨道的实空间轨道（PAW 或 LCAO）数据。Lobster 计算实例：金刚石，CO/Ni，孤立 CO 分子。

periodic NBO、ssAdNDP

       
        电子定域化方法简介 NBO 和 Periodic NBO 概述，NBO 和 Period NBO 程序介绍，提取单中心，双中心的 NBO。NPA (Natural Population Analysis) 电荷，Periodic NBO 程序编译，投影程序的编译 projection.exe，basis.inp 高斯基组文件准备，
        
         平面波基组到高斯基组的投影方法，
        
        EMSL 基组库使用。实例：晶体 Si 的 NBO 计算， NBO 轨道绘制和 NBO计算结果分析。实例: CO/Ni(100) 吸附模型的NBO分析。ssAdNDP，NBO 方法的局限性，多中心化学键，AdNDP计算流程，ssAdNDP 编译，ssAdNDP应用实例 2D Borphene，2D 硼金属材料，Be
        
         5
        
        C
        
         2
        
        ，Cu
        
         2
        
        Si，ssAdNDP 的搜索技巧，原文还原：硼墨烯的多中心键研究。

2. CP2K与从头算分子动力学

       
         CP2K 编译：
        
        /tools/toolchain 方法，预编译版本。

       
         CP2K 简介：
        
        CP2K 的优缺点，CP2K 经典文章介绍。

       
         CP2K的使用：
        
        CP2K 输入文件，cp2k.inp 文件格式，CP2K 计算原理和重要关键词详解，CP2K 输出文件，CP2K 基组，赝势，坐标读入，基组重叠误差，OT 和 Diag 对比，结构优化和实例练习，Cu(111) + 46H
        
         2
        
        O 结构优化与AIMD，建立固液界面模型方法，复杂催化体系表面的优化。DFT+
        
         U
        
        ，杂化泛函，磁性排列，范德华校正等参数的设置。

       
         从头算分子动力学模拟：
        
        AIMD 计算基本流程，相空间，系综，宏观量的计算，牛顿运动方程，速度形式的 Verlet 算法，AIMD模拟的关键参数，AIMD模拟时间步长的选择，AIMD 模拟参数测试，AIMD 的重复性问题，Energy drift 问题，周期性边界条件，动能与温度，控温技术与热浴，速度调节法，Anderson 热浴，Nosé–Hoover 热浴，模拟退火， AIMD 的计算参数详解。轨迹文件的简化和可视化，VMD 的简单使用，AIMD 的后处理，键长键角跟踪，能量与温度涨落，径向分布函数，亥姆霍兹自由能路径计算，均方位移，扩散常数，速度自相关函数，红外光谱，固液界面平均静电势计算，引入电极电势对固液界面的影响。锂离子电池的动力学模拟。

       
         自由度限制的AIMD：
        
        Potential of mean force，blue-moon/Slow-growth 方法计算自由能势能面。Metadynamics 方法。高斯势函数的参数技巧，数据后处理，一维二维自由能势能面绘制方法。

3. 表面催化反应热力学和动力学

表面热力学

       
        原子堆积方式，FCC、HCP、BCC，Miller 指数，高 miller 指数晶面与台阶面，表面弛豫与重构，对称和非对称的 slab 模型，表面能计算，金属表面能和功函数据库，原子坐标固定，纳米颗粒的结构和表面能关系，Wulff construction 构建，纳米催化中的晶面效应。

       
        吸附类型（化学吸附、物理吸附、解离吸附），吸附能计算，吸附位点，吸附计算注意事项，吸附物种间的相互作用，覆盖度，平均吸附能，最后一分子的吸附能。
       
        化学平衡，表面吸附平衡，Langmuir 吸附等温式与前提假设，熵变对吸附的影响，覆盖度和温度/压力/吸附能关系计算，多组分气体吸附平衡，催化剂中毒微观原理，表面化学势的计算与表面热稳定性计算，催化剂中毒常见案例。
       
        表面催化热力学计算研究思路。
       
        表面缺陷态的稳定性。

过渡态搜索

       
        过渡态判据，无过渡态反应类型，寻找过渡态方法综述，chain-of-states 搜索方法和原理，传统 PEB 方法(plainelastic band)方法遇到的问题，NEB 中 nudge 过程原理，Climbing Image原理，判断插点个数，插点方法，nebmovie.pl 生成 movie 判断插点合理性，CINEB 的 INCAR 关键词和计算方法，VTST优化算法解析，nebresults.pl，nebbarrier.pl, nebspline.pl, nebef.pl等VTST脚本，neb.dat、spline.dat、exts.dat、mep.eps文件自动判断NEB路径上的极值点，Dimer方法原理，选择Dimer，平移 Dimer 过程，Dimer 发展历史，Dimer 的 INCAR 关键词和计算方法， MODECAR 生成，DIMCAR、CENTCAR 和 NEWMODECAR 解读，生成 DIMER 方向 movie 预判过渡态计算是否成功，VTST过渡态计算收敛判断，过渡态搜索常见问题和解决方案。扩散系数与离子电导计算。NEB+Dimer 高效搜索过渡态，neb2dim.pl。NEB 计算线性插点的问题，IDPP 插点原理，使用 pymatgen-diffusion 和 pymatgen 做 IDPP 非线型插点。

频率计算与热力学数据计算

       
        Hessian 矩阵，力常数矩阵对角化，孤立和吸附分子振动区别，零点振动能，有限位移频率计算，Jmol 观察振动，振动数据提取和分析。

       
        系综配分函数，分子配分函数，热力学量与配分函数的关系，内能、亥姆霍兹自由能、焓、吉布斯自由能、熵、等容热容、等压热容，理想气体假设，能量成分的拆分，平动、转动、振动、电子跃迁的配分函数，和其对各种热力学量的贡献计算，振动频率、温度和熵的关系，0K 热力学数据校正计算，实际温度热力学数据校正计算，VASPKIT  计算吸附分子热力学量，吸附分子和孤立分子的热力学量计算区别。气体分子的自由能校正，查实验数据热力学表 JANAF-NIST，使用 Gaussian 程序做频率计算得到热力学数据，VASPKIT 计算孤立分子热力学量。

化学反应速率常数计算

       
        基元反应，单分子多分子基元反应速率方程，稳态平衡和速率方程关系，反应速率常数计算，Arrhenius equation，eyring equation 推导，指前因子计算，表观活化能拟合，过渡态理论，准平衡态假设，过渡态络合物，透热系数，Recrossing 问题，判断基元反应是否容易发生，Eyring 过渡态理论的局限性，Δ
        
         G
        
        a/温度/反应速率常数
        
         k
        
        之间的关系，半衰期，谐振过渡态理论 HTST 公式，吸附和脱附步骤反应速率，Knudsen-Langmuir equation，隧穿效应，Wigner 方法计算透热系数。

催化反应机理

       
        Langmuir-Hinshelwood (LH) mechanism，Eley-Rideal (ER) mechanism，Mars-Van Krevelen (MvK) mechanism，及其速率方程组。LH 实例合成氨反应，ER 实例Volmer-Heyrovsky HER，MvK 实例低温 CO 氧化反应。催化循环和总包反应能量。

微观动力学模拟简介

       
         TOF(Turnover frequency)，TON(Turnover number)，微观动力学模拟，稳态近似，平均场近似，联立和求解微分方程组，CatMap 的使用，CatMap 输入文件，形成能的计算，shomate_gas，绘制速率-温度/压力图，输出覆盖度图，提取自由能势能面，绘制吸附能火山曲线，定义 linear scaling，拟合 BEP 关系线。

       
         决速步和决速态理论

       
        决速步，决速步理论推导出解析的 TOF 的表达式，温度/分压对 TOF 影响，
        
         k
        
        表象，
        
         E
        
        表象，决速态，TOF-determining transition state (TDTS)，TOF-determining intermediate (TDI)。

BEP 和火山曲线

       
        BEP 关系，甲烷 C-H 活化/NO 分解等催化反应中的 BEP 关系，BEP 关系注意事项，截距和斜率规律。BEP 关系最新拓展：配位数，d 带中心，态密度，费米能级，电离能，功函等等的线性规律。

高通量计算与机器学习

       
        Materials project 数据库API使用和批量获取结构方法。Pymatgen 简介，自动化表面切割，自动生成表面吸附结构，自动绘制能带结构，态密度图，稳定性相图。目前较为成熟机器学习软件简介：LASP，DP-GEN，SISSO，CGCNN，AiiDA等。

4. JDFTx 与电催化计算

       
         计算电催化基础
        
        ：ORR、OER、HER、HOR 反应机理，Norskov 模型过电势计算，台阶图计算，电催化基元步骤自由能变计算，OER 实例，M-
        
         N
        
          4
         
        /graphene，溶液的 pH 影响，NRR，CO
        
         2
        
        RR 机理。光催化基础，能带边缘位置计算，band alignment。

       
         进阶电催化计算
        
        ：传统计算模型缺陷：“双电层”理论，Gouy-Chapman 模型，零电荷电势 potential of zero charge (PZC)，显式/隐式溶剂模型流派和代表文献，连续介质模型，VASPsol 使用方法和实例练习，JDFTx 编译安装，JDFTx 学习方法，JDFTx  输入输出文件结构，单点能计算 .in 文件，几何优化 .in 文件，频率计算 .in  文件，溶剂化模型，bound charge，表面模型计算+溶剂化+电极电势计算，charge-neutral method vs constant-potential method，配合 JDFTx 精确计算电催化模型常用方法。溶剂和电极电势对二维材料电催化的影响。

       
        显式溶剂模型 +AIMD 处理电催化界面方法（ AIMD 部分讲解）

讲师介绍

刘锦程博士 ，清华大学博士，长期从事表面催化和材料计算研究，对量化计算，第一性原理计算，分子动力学模拟有五年研究经验，精通 VASP，CP2K，Gaussian，ORCA 熟练使用 JDFTx，Gromacs，ADF 等计算程序。近三年在表面催化，电催化，电池材料，过渡金属配合物等领域发表多篇文章。在 JACS ， Nat. Commun. ， ACS Catal. ， Nano Energy, Natl. Sci. Rev. 等期刊上以第一作者发表纯理论计算文章，并与实验科学家合作在 Nat. Nanotech., Nat. Commun., PNAS，Adv. Mater., JACS 等期刊上发表多篇合作文章。

Google Scholar:

https://scholar.google.com/citations?user=hAkSR2wAAAAJ&hl=en

培训时间地点

报到时间：2019 年 11 月 17 日 13：30 - 17：00（签到、领取材料、缴费）；11月 18 号上午也可以报道。

培训时间：2019 年 11 月 18 日 - 11 月 21 日，9:00 - 12:00；13:30 - 17:30

地点：北京市海淀区西北旺东路 10 号院 21 号楼三盛大厦东区三层

报名费