Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 模拟CO在Pd（110）上的STM图

背景：扫描透射显微镜(STM)提供材料的图像，也可用于提供原子尺度的定量信息。因此，模拟STM图像的能力提供了一种将计算结果与实验进行比较的方法。

CASTEP通过将STM图表示为仅由远离费米能级的特定能量的状态产生的电子密度的等值面来对其建模。离费米能级的距离对应于STM实验中施加的偏压:正偏压对应于空(传导)态，负偏压对应于占据(价态)态。这种方法忽略了STM针尖的实际几何形状。

STM剖面可视化仅对代表板状超晶胞几何中的表面的模型有意义。此外，由于DFT不能再现波函数在真空中衰减的渐近性，关于离表面一定距离处的电荷密度的信息可能是不准确的。

简介：在本教程中，您将使用 CASTEP 模拟吸附在 Pd（110） 表面上CO 分子的 STM 剖面。本教程的目的是检查STM是否有可能确认教程“CO吸附到Pd（110）表面”中发现的2×1结构更稳定，或者1×1和2×1体系之间的差异。将使用之前此体系中获得的结果。

目的：演示如何使用 CASTEP 模拟体系的透射显微镜 （STM）。

本教程重要节点：

运行计算-创建 STM 等值面-向 STM 等值面添加额外信息

1. 运行计算

在该计算中，将使用吸附CO分子的Pd(1 1 0)表面。

打开(1×1) CO on Pd(110)\(1×1) CO on Pd (1 1 0) CASTEP GeomOpt文件夹中的(1×1) CO on Pd(110).xsd文件。

单击Modules工具条上的CASTEP按钮，选择Calculation。或在菜单栏中选择Modules | CASTEP | Calculation。

打开CASTEP Calculation对话框。

由于已经对体系运行过几何优化，所以现在只需要对体系执行单点能计算以得到差分电荷密度。

将Task更改为Energy。

在Properties选项卡中，勾选Orbitals复选框，确认没有选上其他的性质。

在Electronic选项卡中，单击More…按钮，打开CASTEP Electronic Options对话框。在k点k-points选项卡中，确保选中Custom grid parameters按钮，将Grid parameters区域设置为a为3、b为4、c为1。

单击Run按钮。

计算任务即被提交并开始运行。

对优化的位于(2×1) CO on Pd(110) 文件夹中的(2×1) CO on Pd(110).xsd文件中的2×1结构重复上述操作，确保k点网格参数设置为a为2、b为3、c为1。

单击CASTEP Calculation对话框中的Run按钮，关闭所有对话框。

当任务完成时，应保存项目。

从菜单栏中选择File | Save Project。

2. 创建 STM 等值面

当计算结束的时候，可以显示电荷差分密度。在此之前关闭所有窗口。

从菜单栏中选择Window | Close All。

现在并排打开 (1×1)和(2×1) 计算的输出结构。

打开(1×1) CO on Pd (1 1 0) CASTEP Energy文件夹中的(1×1) CO on Pd (1 1 0).xsd文件。并打开(2×1) CO on Pd (1 1 0) CASTEP Energy文件夹中的(2×1) CO on Pd (1 1 0).xsd文件。从菜单栏中选择Window | Tile Vertically。

使得(1×1) CO on Pd (110).xsd为当前文档，打开Display Style对话框，在Lattice 选项卡中，设置A方向范围的Max.值为2.00，B方向为2.00，C方向为0.90。选择(2×1) CO on Pd(110).xsd文档，更改B方向范围Max.值为2.00，C方向为0.90。

为了更好地区分表面和吸附质，可能需要更改所有Pd原子的原子显示样式。

对于每个文档，选择每个Pd层的一个原子。在Display Style对话框的Atom选项卡上，选择CPK单选按钮，并将CPK半径更改为0.9。关闭Display Style对话框。

将两个结构定向，使(110)表面排列的原子朝向相同的方向。

模型应与下图类似：

记下氧原子的z坐标，无论是哪种情况，它们都应约为5.4和5.3 Å。

3. 向 STM 等值面添加额外信息

现在将体积信息导入到两个结构文档中。

单击工具条上的CASTEP按钮，从下拉列表中选择Analysis，打开CASTEP Analysis对话框。从列表中选择STM profile。

打开(1×1) CO on Pd (1 1 0).castep文件，确保其列于输入结果文件Results file中。设置STM bias的值为1.0，取消勾选View isosurface on import复选框。使得(1×1) CO on Pd (110).xsd为当前文档，单击Import按钮。

对(2×1) CO on Pd (110).castep输出文件和(2×1) CO on Pd (110).xsd结构文件重复此操作。关闭CASTEP Analysis对话框。

下一步将创建模拟图像，以模拟两个结构在恒定高度模式下的STM实验。这可以通过模拟STM体积信息显示切片来实现。

在Volume Visualization工具栏上，单击切片Slice按钮的下拉箭头，然后选择Parallel to A & B axis。对另一个文档重复此操作。

此过程将创建一个将成为STM图像的体积切片。在实验中，扫描隧道显微镜通常在实际原子上方进行，并且依赖于隧道。为了在模拟中模拟这种设置，必须将切片设置在氧原子上方相对较高的位置，但也要远离Pd原子底部的周期性镜像。O原子上方1.0 Å的值是一个很好的折衷方案，只要对同类原子进行比较，并为两个模拟设置相同的参数值。

选择切片。在Properties Explorer中，双击Slice Position属性并将Z值更改为6.4。对另一个文档重复此操作。

注意：对于研究问题中的高质量STM模拟，必须比最高原子高出至少3Å，并使用相应高度较大的单位晶胞。要模拟合理的分辨率，可能必须显著增加平面波截断能。

现在调整颜色尺度以显示相关信息。

选择Color Maps按钮。使用右箭头按钮将From和To值分别设置为Properties Explorer中显示的Slice Mapped Min和Slice Mapped Max值。将Spectrum更改为Black-White，并将Bands设置为128。

对另一个文档重复此操作，然后关闭Color Maps对话框。

注意：在复杂模拟中，如果色标相同，则可以获得不同吸附质的相对亮度估计值。但是，仅当所有计算中的所有设置完全相同时，此选项才有效。

可以更改表现形式，以使周期性表面的一部分不被切片覆盖。最终结果应与下图类似：

每个图像左侧计算的体积切片对应于预测的STM对比度，而扩展的超晶胞显示STM图像下方原子的位置。

根据该模拟，在STM模拟中，应该很容易区分CO吸附在Pd(110)上的1×1和2×1结构。STM图像的形状表明，对比度主要是由于CO分子的π轨道导致的。在1×1超晶胞中整齐排列，但在2×1结构中偏移。体积切片是仅由与偏压相对应的轨道的密度构成的，即费米能级以上约1 eV的轨道。颜色对应于态的总密度，白色区域对应于最高DOS。

本入门教程到此结束。