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创建于 Nov 8, 2021

最后一次修改 Nov 8, 2021

Bader电荷分析

物理意义、目标

  • McMaster大学的Richard Bader开发了一种将分子划分为原子的直观方法，他对原子的定义完全基于电荷密度。Bader使用所谓的表面是二维表面的零通量表面来划分原子，其垂直于该表面的电荷密度最小。通常，在分子系统中，原子之间的电荷密度达到最小值是使原子彼此分离的自然位置。
  • Bader用于电荷分析时，包围在Bader体积内的电荷非常近似于原子的总电荷。电荷分布可用于确定相互作用的原子或分子的多极矩。Bader的分析还用于定义原子的硬度，可用于量化从原子中去除电荷的成本。

计算流程

  • 获得稳定的结构并得到体系的电子密度

VASP 计算主要参数和流程

INCAR主要参数

LCHARG= . TURE.（表示写入CHACAR）

LAECHG= .TURE.（表示进行全电子计算）

主要流程

  • 计算完成后生成文件 AECCAR0 AECCAR1 AECCAR2，使用命令：chgsum.pl AECCAR0 AECCAR2（http://theory.cm.utexas.edu/vtsttools/scripts.html下载chgsum.pl脚本）生成CHARGCAR_sum文件

  • 使用命令：bader CHGCAR -ref CHGCAR_sum（http://theory.cm.utexas.edu/henkelman/code/bader/下载bader脚本）生成 ACF.dat AVF.dat BCF.dat其中 ACF.dat就包含价电子的电荷信息

  • ACF.dat文件中，第一列的数字对应的是POSCAR中的原子顺序，可与VESTA中的原子顺序对应；第五列是CHGCAR价电子信息。最后一行NUMBER OF ELECTRONS是总的价电荷数。【例Fe3O4计算后的ACF.dat文件】

``` # X Y Z CHARGE MIN DIST ATOMIC VOL

  1    5.870755    0.000000    2.135186    7.059332     0.858533    11.361457
  2    0.051285    0.000000   14.624683    7.067904     0.858381    11.401445
  3    2.909705    0.000000   14.624683    7.068480     0.858427    11.407013
  4    3.012395    0.000000    2.135018    7.059096     0.858427    11.359938
  5    3.012395    0.000000   10.515036    7.057520     0.858533    11.369302
  6    2.909765    0.000000    6.244832    7.056900     0.858381    11.374364
  7    0.051345    0.000000    6.244832    7.057224     0.858427    11.375883
  8    5.870815    0.000000   10.515036    7.057642     0.858486    11.370821
  9    5.869986    2.961050    2.055577    7.109480     0.857018    11.515841
 10    0.052114    2.961050   14.703956    7.112121     0.856900    11.516854
 11    2.908936    2.961050   14.703956    7.112166     0.856900    11.517360
 12    3.013164    2.961050    2.055745    7.109463     0.856900    11.515082
 13    3.013164    2.961050   10.435595    7.127335     0.856900    11.544947
 14    2.908936    2.961050    6.324273    7.049343     0.858606    11.345006
 15    0.052055    2.961050    6.324273    7.049417     0.858560    11.344753
 16    5.869986    2.961050   10.435595    7.127300     0.856900    11.543681
 17    1.480525    1.532995   16.720316    7.081281     0.875642    11.457125
 18    4.441575    4.389046    0.039218    7.084557     0.875624    11.475853
 19    1.480525    4.389105    8.340633    7.076388     0.875570    11.452316
 20    4.441575    1.533054    8.419236    7.073476     0.875695    11.450797
 21    1.480525    4.389105   16.720483    7.081321     0.875570    11.457125
 22    4.441575    1.533054    0.039385    7.084492     0.875695    11.474588
 23    1.480525    1.532995    8.340633    7.076347     0.875570    11.452822
 24    4.441575    4.389105    8.419236    7.073483     0.875642    11.450797
 25    1.480525    1.428114    4.228305    7.125691     0.851866    11.571015
 26    4.441575    4.493986   12.531396    7.127642     0.851866    11.558867
 27    1.480525    4.493986   12.608155    7.161246     0.875161    11.635047
 28    4.441575    1.428114    4.151546    7.081941     0.875161    11.457125
 29    1.480525    4.493986    4.228305    7.125759     0.851866    11.571268
 30    4.441575    1.428114   12.531396    7.127644     0.851866    11.558867
 31    1.480525    1.428114   12.608155    7.161182     0.875161    11.634541
 32    4.441575    4.493986    4.151546    7.081872     0.875161    11.456365
 33    1.480525    0.000000    1.047649   12.629795     0.852233    10.511328
 34    1.480525    0.000000    9.427499   12.624884     0.852233    10.473364
 35    4.441575    2.961050   13.617760   12.483803     0.852436    10.191422
 36    4.441575    2.961050    5.237909   12.630191     0.852436    10.489309
 37    1.480525    1.480466    6.284553   12.523025     0.960171     8.538492
 38    4.441634    4.441634   10.475148   12.511172     0.960129     8.540011
 39    1.480525    4.441634   14.664403   12.503676     0.960171     8.526850
 40    4.441516    1.480466    2.095298   12.515768     0.960129     8.533431
 41    1.480525    4.441634    6.284553   12.525042     0.960171     8.560511
 42    4.441634    1.480466   10.475148   12.508898     0.960129     8.522042
 43    1.480525    1.480466   14.664403   12.502901     0.960171     8.517486
 44    4.441516    4.441634    2.095298   12.519021     0.960129     8.552918
 45    0.000059    2.961050    0.000000   12.550441     0.959607     8.676173
 46    2.960991    2.961050    0.000000   12.548517     0.959607     8.656938
 47    2.961050    2.961050    8.379850   12.579294     0.959649     8.749822
 48    0.000000    2.961050    8.379850   12.581311     0.959649     8.770323
 49    0.000000    0.000000    4.189925   12.559777     0.959649     8.718692
 50    0.000000    0.000000   12.569776   12.533994     0.959649     8.663772
 51    2.961050    0.000000   12.569776   12.537114     0.959649     8.685284
 52    2.961050    0.000000    4.189925   12.562069     0.959649     8.740205
 53    4.441575    0.000000   15.712052   12.614068     0.852233    10.417178
 54    4.441575    0.000000    7.332202   12.627135     0.852233    10.491081
 55    1.480525    2.961050    3.141941   12.487194     0.852436    10.209645
 56    1.480525    2.961050   11.521792   12.435868     0.852436    10.069433

  VACUUM CHARGE:               0.0000
  VACUUM VOLUME:               0.0000
  NUMBER OF ELECTRONS:       528.0000

```

VASP结果分析及作图

  • 用VMD打开POSCAR，选中VMD Main高亮部分→File→Save Coordinates→保存为.pdb格式

pdb文件示例

CRYST1 5.922 5.922 16.760 90.00 90.00 90.00 P 1 1 ATOM 1 O X 1 5.871 0.000 2.135 0.00 0.00 O ATOM 2 O X 1 0.051 0.000 14.625 0.00 0.00 O ATOM 3 O X 1 2.910 0.000 14.625 0.00 0.00 O ATOM 4 O X 1 3.012 0.000 2.135 0.00 0.00 O ATOM 5 O X 1 3.012 0.000 10.515 0.00 0.00 O ATOM 6 O X 1 2.910 0.000 6.245 0.00 0.00 O ATOM 7 O X 1 0.051 0.000 6.245 0.00 0.00 O ATOM 8 O X 1 5.871 0.000 10.515 0.00 0.00 O ATOM 9 O X 1 5.870 2.961 2.056 0.00 0.00 O ATOM 10 O X 1 0.052 2.961 14.704 0.00 0.00 O ATOM 11 O X 1 2.909 2.961 14.704 0.00 0.00 O ATOM 12 O X 1 3.013 2.961 2.056 0.00 0.00 O ATOM 13 O X 1 3.013 2.961 10.436 0.00 0.00 O ATOM 14 O X 1 2.909 2.961 6.324 0.00 0.00 O ATOM 15 O X 1 0.052 2.961 6.324 0.00 0.00 O ATOM 16 O X 1 5.870 2.961 10.436 0.00 0.00 O ATOM 17 O X 1 1.481 1.533 16.720 0.00 0.00 O ATOM 18 O X 1 4.442 4.389 0.039 0.00 0.00 O ATOM 19 O X 1 1.481 4.389 8.341 0.00 0.00 O ATOM 20 O X 1 4.442 1.533 8.419 0.00 0.00 O ATOM 21 O X 1 1.481 4.389 16.720 0.00 0.00 O ATOM 22 O X 1 4.442 1.533 0.039 0.00 0.00 O ATOM 23 O X 1 1.481 1.533 8.341 0.00 0.00 O ATOM 24 O X 1 4.442 4.389 8.419 0.00 0.00 O ATOM 25 O X 1 1.481 1.428 4.228 0.00 0.00 O ATOM 26 O X 1 4.442 4.494 12.531 0.00 0.00 O ATOM 27 O X 1 1.481 4.494 12.608 0.00 0.00 O ATOM 28 O X 1 4.442 1.428 4.152 0.00 0.00 O ATOM 29 O X 1 1.481 4.494 4.228 0.00 0.00 O ATOM 30 O X 1 4.442 1.428 12.531 0.00 0.00 O ATOM 31 O X 1 1.481 1.428 12.608 0.00 0.00 O ATOM 32 O X 1 4.442 4.494 4.152 0.00 0.00 O ATOM 33 Fe X 1 1.481 0.000 1.048 0.00 0.00 FE ATOM 34 Fe X 1 1.481 0.000 9.427 0.00 0.00 FE ATOM 35 Fe X 1 4.442 2.961 13.618 0.00 0.00 FE ATOM 36 Fe X 1 4.442 2.961 5.238 0.00 0.00 FE ATOM 37 Fe X 1 1.481 1.480 6.285 0.00 0.00 FE ATOM 38 Fe X 1 4.442 4.442 10.475 0.00 0.00 FE ATOM 39 Fe X 1 1.481 4.442 14.664 0.00 0.00 FE ATOM 40 Fe X 1 4.442 1.480 2.095 0.00 0.00 FE ATOM 41 Fe X 1 1.481 4.442 6.285 0.00 0.00 FE ATOM 42 Fe X 1 4.442 1.480 10.475 0.00 0.00 FE ATOM 43 Fe X 1 1.481 1.480 14.664 0.00 0.00 FE ATOM 44 Fe X 1 4.442 4.442 2.095 0.00 0.00 FE ATOM 45 Fe X 1 0.000 2.961 0.000 0.00 0.00 FE ATOM 46 Fe X 1 2.961 2.961 0.000 0.00 0.00 FE ATOM 47 Fe X 1 2.961 2.961 8.380 0.00 0.00 FE ATOM 48 Fe X 1 0.000 2.961 8.380 0.00 0.00 FE ATOM 49 Fe X 1 0.000 0.000 4.190 0.00 0.00 FE ATOM 50 Fe X 1 0.000 0.000 12.570 0.00 0.00 FE ATOM 51 Fe X 1 2.961 0.000 12.570 0.00 0.00 FE ATOM 52 Fe X 1 2.961 0.000 4.190 0.00 0.00 FE ATOM 53 Fe X 1 4.442 0.000 15.712 0.00 0.00 FE ATOM 54 Fe X 1 4.442 0.000 7.332 0.00 0.00 FE ATOM 55 Fe X 1 1.481 2.961 3.142 0.00 0.00 FE ATOM 56 Fe X 1 1.481 2.961 11.522 0.00 0.00 FE END

  • 将POTCAR赝势文件中对应原子的价电子数（可用命令grep ZVAL POTCAR读取价电子数）分别减去Bader分析产生的ACF.dat文件中的CHARGE列（保留两位小数）→将做差后的数据复制到pdb文件中的第一个0.00列，并将尾部对齐

bader

做差后的pdb文件示例

CRYST1 5.922 5.922 16.760 90.00 90.00 90.00 P 1 1 ATOM 1 O X 1 5.871 0.000 2.135 -1.06 0.00 O ATOM 2 O X 1 0.051 0.000 14.625 -1.07 0.00 O ATOM 3 O X 1 2.910 0.000 14.625 -1.07 0.00 O ATOM 4 O X 1 3.012 0.000 2.135 -1.06 0.00 O ATOM 5 O X 1 3.012 0.000 10.515 -1.06 0.00 O ATOM 6 O X 1 2.910 0.000 6.245 -1.06 0.00 O ATOM 7 O X 1 0.051 0.000 6.245 -1.06 0.00 O ATOM 8 O X 1 5.871 0.000 10.515 -1.06 0.00 O ATOM 9 O X 1 5.870 2.961 2.056 -1.11 0.00 O ATOM 10 O X 1 0.052 2.961 14.704 -1.11 0.00 O ATOM 11 O X 1 2.909 2.961 14.704 -1.11 0.00 O ATOM 12 O X 1 3.013 2.961 2.056 -1.11 0.00 O ATOM 13 O X 1 3.013 2.961 10.436 -1.13 0.00 O ATOM 14 O X 1 2.909 2.961 6.324 -1.05 0.00 O ATOM 15 O X 1 0.052 2.961 6.324 -1.05 0.00 O ATOM 16 O X 1 5.870 2.961 10.436 -1.13 0.00 O ATOM 17 O X 1 1.481 1.533 16.720 -1.08 0.00 O ATOM 18 O X 1 4.442 4.389 0.039 -1.08 0.00 O ATOM 19 O X 1 1.481 4.389 8.341 -1.08 0.00 O ATOM 20 O X 1 4.442 1.533 8.419 -1.07 0.00 O ATOM 21 O X 1 1.481 4.389 16.720 -1.08 0.00 O ATOM 22 O X 1 4.442 1.533 0.039 -1.08 0.00 O ATOM 23 O X 1 1.481 1.533 8.341 -1.08 0.00 O ATOM 24 O X 1 4.442 4.389 8.419 -1.07 0.00 O ATOM 25 O X 1 1.481 1.428 4.228 -1.13 0.00 O ATOM 26 O X 1 4.442 4.494 12.531 -1.13 0.00 O ATOM 27 O X 1 1.481 4.494 12.608 -1.16 0.00 O ATOM 28 O X 1 4.442 1.428 4.152 -1.08 0.00 O ATOM 29 O X 1 1.481 4.494 4.228 -1.13 0.00 O ATOM 30 O X 1 4.442 1.428 12.531 -1.13 0.00 O ATOM 31 O X 1 1.481 1.428 12.608 -1.16 0.00 O ATOM 32 O X 1 4.442 4.494 4.152 -1.08 0.00 O ATOM 33 Fe X 1 1.481 0.000 1.048 1.37 0.00 FE ATOM 34 Fe X 1 1.481 0.000 9.427 1.38 0.00 FE ATOM 35 Fe X 1 4.442 2.961 13.618 1.52 0.00 FE ATOM 36 Fe X 1 4.442 2.961 5.238 1.37 0.00 FE ATOM 37 Fe X 1 1.481 1.480 6.285 1.48 0.00 FE ATOM 38 Fe X 1 4.442 4.442 10.475 1.49 0.00 FE ATOM 39 Fe X 1 1.481 4.442 14.664 1.50 0.00 FE ATOM 40 Fe X 1 4.442 1.480 2.095 1.48 0.00 FE ATOM 41 Fe X 1 1.481 4.442 6.285 1.47 0.00 FE ATOM 42 Fe X 1 4.442 1.480 10.475 1.49 0.00 FE ATOM 43 Fe X 1 1.481 1.480 14.664 1.50 0.00 FE ATOM 44 Fe X 1 4.442 4.442 2.095 1.48 0.00 FE ATOM 45 Fe X 1 0.000 2.961 0.000 1.45 0.00 FE ATOM 46 Fe X 1 2.961 2.961 0.000 1.45 0.00 FE ATOM 47 Fe X 1 2.961 2.961 8.380 1.42 0.00 FE ATOM 48 Fe X 1 0.000 2.961 8.380 1.42 0.00 FE ATOM 49 Fe X 1 0.000 0.000 4.190 1.44 0.00 FE ATOM 50 Fe X 1 0.000 0.000 12.570 1.47 0.00 FE ATOM 51 Fe X 1 2.961 0.000 12.570 1.46 0.00 FE ATOM 52 Fe X 1 2.961 0.000 4.190 1.44 0.00 FE ATOM 53 Fe X 1 4.442 0.000 15.712 1.39 0.00 FE ATOM 54 Fe X 1 4.442 0.000 7.332 1.37 0.00 FE ATOM 55 Fe X 1 1.481 2.961 3.142 1.51 0.00 FE ATOM 56 Fe X 1 1.481 2.961 11.522 1.56 0.00 FE END

  • 将pdb文件导入VMD中进行处理：

  • Graphics→Representations→Selection Atoms中根据不同分类选择需要显示的元素

  • Graphics→Representations→Coloring Method中选择Occupancy上色→Drawing Method中选择CPK显示方式（可以调整Sphere Resolution等大小）

  • Graphics→Colors→Color Scale→把色彩刻度条截图截出来旋转、拉伸一下→把上下限数值标注上去就可以把色彩刻度轴显示出来

  • 可以在Display中调整一些显示效果

    案例

    对Fe3O4bader电荷分析

    POSCAR INCAR KPOINTS POTCAR

    POSCARpdb baderpdb