差分电荷该怎么算？

差分电荷密度（Differential Charge Density, DCD）是电子结构计算中一种非常重要的分析工具，它能够直观地反映电子在不同体系或结构之间的重新分布情况。通过分析差分电荷密度图，我们可以深入理解化学键的形成、电子的转移方向以及材料的电子结构特性。

以下将从差分电荷密度的定义、计算方法、分析步骤、应用场景以及可视化方法等方面进行详细阐述。

差分电荷密度的定义

差分电荷密度是成键后电荷密度与成键前原子电荷密度之差，通过计算和分析差分电荷密度，可以揭示成键过程中的电荷移动和极化方向。以H₂O分子为例，文章详细介绍了差分电荷计算的步骤。

差分电荷密度的计算通常基于第一性原理（DFT）方法，使用 VASP、CASTEP、Materials Studio 等软件进行计算。差分电荷密度的公式为：

其中吸附体系总的电荷密度用ρ_ad(r)表示，ρ_surface(r)表示表面的电荷密度，ρ_atom(r)则表示自由氧原子位于单胞中相应吸附位时的电荷密度。

差分电荷密度的计算方法

结构优化

首先需要优化整个系统的结构，例如OOH吸附在NiO(111)表面的情况。这一步确保了三次自洽计算中使用的FFT网格一致性（NGXF, NGYF, NGZF）。在Materials Studio中，结构优化的步骤包括：

1）结构优化：对AB体系进行结构优化，确保其处于稳定状态。

2）单点能计算：分别对AB体系、片段A和B进行单点能计算，得到各自的电荷密度。

3）差分处理：使用工具将AB体系的电荷密度与A和B的电荷密度相减，生成差分电荷密度文件。

4）可视化：使用 VESTA 软件打开CHGDIFF.vasp文件，绘制差分电荷密度图。

VASP计算步骤

在VASP中，计算差分电荷密度的具体流程如下：

1）优化结构：首先需要优化整个系统的结构，例如OOH吸附在NiO(111)表面的情况。这一步确保了三次自洽计算中使用的FFT网格一致性（NGXF, NGYF, NGZF）。

2）分别优化片段：然后分别优化系统中的各个片段，例如OOH和NiO(111)表面，以获得各自的CHGCAR文件，这些文件包含了电荷密度信息。

3）计算差分电荷密度：使用vtstscript脚本包进行电荷差分计算，该脚本可以读取不同CHGCAR文件并计算电荷密度差，得到差分电荷文件。

4）可视化：将生成的差分电荷文件导入到VESTA软件中进行可视化，以观察电荷密度的变化。

差分电荷密度的分析步骤

1. 原子基差分电荷密度

研究对象（如分子、团簇或模型催化剂）成键后的电子云密度与组成其结构的原子电子云密度之差，用于分析成键过程中的电子移动和成键极化方向。

2. 碎片基差分电荷密度

体系总电荷密度减去吸附分子与基底（或模型催化剂）的电荷密度，用于分析吸附分子与基底间的电子相互作用。

3. 自旋电荷密度

体系自旋向上的电荷密度减去自旋向下的电荷密度，用于研究体系的自旋性质，如磁性体系中自旋电子分布和特征物种识别。

4. 特定对象的差分电荷密度

根据研究体系的特点和目标，选择特定的电荷密度背景进行差分计算，用于分析特定化学结构或反应性能。

差分电荷密度的应用场景

1. 分子成键分析

差分电荷密度在分子成键分析中具有重要应用。例如，在H₂O分子中，差分电荷密度可以揭示成键过程中的电荷移动和极化方向。在CO₂、O₂、Pd(111)表面、CF₃CH₂I在Ag(111)表面吸附等案例中，差分电荷密度被用来分析不同类型的电子结构和相互作用。

2. 材料电子结构分析

差分电荷密度在材料电子结构分析中也有广泛应用。例如，在金衬底调控单层二硫化钼电子性能的研究中，差分电荷密度分析表明单层二硫化钼的导电通道可能在界面处产生。在Ni-Al-Cr合金中，差分电荷密度分析表明Ni-3d，Al-3p和Ni-3d，Cr-3d之间发生了明显杂化效应。

3. 催化反应研究

差分电荷密度在催化反应研究中也有重要应用。例如，在Pd催化糠醛加氢反应中，差分电荷密度和Bader电荷分析表明，反应过程中存在糠醛和Pd催化剂之间的电荷转移。在Ni-Al-Cr合金中，差分电荷密度分析表明Ni-3d，Al-3p和Ni-3d，Cr-3d之间发生了明显杂化效应。

五、差分电荷密度的可视化方法

1. VESTA软件

VESTA软件是常用的差分电荷密度可视化工具。通过设置等值面来显示电荷密度的增加或减少。在VESTA中，可以通过以下步骤进行可视化：

1）导入文件：将生成的差分电荷文件导入到VESTA软件中。

2）设置等值面：通过设置等值面来显示电荷密度的增加或减少。

3）导出图像：将生成的图像导出为图片格式，以便进一步分析和展示。

2. Materials Studio

Materials Studio也支持差分电荷密度的计算和可视化。在Materials Studio中，可以通过以下步骤进行可视化：

1）结构优化：对AB体系进行结构优化。

2）单点能计算：分别对AB体系、片段A和B进行单点能计算，得到各自的电荷密度。

3）差分处理：使用工具将AB体系的电荷密度与A和B的电荷密度相减，生成差分电荷密度文件。

4）可视化：将生成的差分电荷文件导入到VESTA软件中进行可视化。