← Back to branch summary

~ubuntu-branches/debian/sid/lammps/sid

« back to all changes in this revision

Viewing changes to doc/fix_qeq.txt

  • Committer: Package Import Robot
  • Author(s): Anton Gladky
  • Date: 2015-04-29 23:44:49 UTC
  • mfrom: (5.1.3 experimental)
  • Revision ID: package-import@ubuntu.com-20150429234449-mbhy9utku6hp6oq8
Tags: 0~20150313.gitfa668e1-1
Upload into unstable.

Show diffs side-by-side

added added

removed removed

Lines of Context:
doc/fix_qeq.txt
 
1
"LAMMPS WWW Site"_lws - "LAMMPS Documentation"_ld - "LAMMPS Commands"_lc :c
 
2
 
 
3
:link(lws,http://lammps.sandia.gov)
 
4
:link(ld,Manual.html)
 
5
:link(lc,Section_commands.html#comm)
 
6
 
 
7
:line
 
8
 
 
9
fix qeq/point command :h3
 
10
fix qeq/shielded command :h3
 
11
fix qeq/slater command :h3
 
12
fix qeq/dynamic command :h3
 
13
 
 
14
[Syntax:]
 
15
 
 
16
fix ID group-ID style Nevery cutoff tolerance maxiter qfile :pre
 
17
 
 
18
ID, group-ID are documented in "fix"_fix.html command
 
19
style = {qeq/point} or {qeq/shielded} or {qeq/slater} or {qeq/dynamic}
 
20
Nevery = perform charge equilibration every this many steps
 
21
cutoff = global cutoff for charge-charge interactions (distance unit)
 
22
tolerance = precision to which charges will be equilibrated
 
23
maxiter = maximum iterations to perform charge equilibration
 
24
qfile = a filename with QEq parameters :ul
 
25
 
 
26
[Examples:]
 
27
 
 
28
fix 1 all qeq/point 1 10 1.0e-6 200 param.qeq1
 
29
fix 1 qeq qeq/shielded 1 8 1.0e-6 100 param.qeq2
 
30
fix 1 all qeq/slater 5 10 1.0e-6 100 params
 
31
fix 1 qeq qeq/dynamic 1 12 1.0e-3 100 my_qeq :pre
 
32
 
 
33
[Description:]
 
34
 
 
35
Perform the charge equilibration (QEq) method as described in "(Rappe
 
36
and Goddard)"_#Rappe and formulated in "(Nakano)"_#Nakano (also known
 
37
as the matrix inversion method) and in "(Rick and Stuart)"_#Rick (also
 
38
known as the extended Lagrangian method) based on the
 
39
electronegativity equilization principle.
 
40
 
 
41
These fixes can be used with any "pair style"_pair_style.html in
 
42
LAMMPS, so long as per-atom charges are defined.  The most typical
 
43
use-case is in conjunction with a "pair style"_pair_style.html that
 
44
performs charge equilibration periodically (e.g. every timestep), such
 
45
as the ReaxFF or Streitz-Mintmire potential (the latter is not yet
 
46
implemented in LAMMPS).  But these fixes can also be used with
 
47
potentials that normally assume per-atom charges are fixed, e.g. a
 
48
"Buckingham"_pair_buck.html or "LJ/Coulombic"_pair_lj.html potential.
 
49
 
 
50
Because the charge equilibration calculation is effectively
 
51
independent of the pair style, these fixes can also be used to perform
 
52
a one-time assignment of charges to atoms.  For example, you could
 
53
define the QEq fix, perform a zero-timestep run via the "run"_run.html
 
54
command without any pair style defined which would set per-atom
 
55
charges (based on the current atom configuration), then remove the fix
 
56
via the "unfix"_unfix.html command before performing further dynamics.
 
57
 
 
58
IMPORTANT NOTE: Computing and using charge values different from
 
59
published values defined for a fixed-charge potential like Buckingham
 
60
or CHARMM or AMBER, can have a strong effect on energies and forces,
 
61
and produces a different model than the published versions.
 
62
 
 
63
IMPORTANT NOTE: The "fix qeq/comb"_fix_qeq_comb.html command must
 
64
still be used to perform charge equliibration with the "COMB
 
65
potential"_pair_comb.html.  The "fix qeq/reax"_fix_qeq_reax.html
 
66
command can be used to perform charge equilibration with the "ReaxFF
 
67
force field"_pair_reax_c.html, although fix qeq/shielded yields the
 
68
same results as fix qeq/reax if {Nevery}, {cutoff}, and {tolerance} are
 
69
the same.  Eventually the fix qeq/reax command will be deprecated.
 
70
 
 
71
The QEq method minimizes the electrostatic energy of the system (or
 
72
equalizes the derivative of energy with respect to charge of all the
 
73
atoms) by adjusting the partial charge on individual atoms based on
 
74
interactions with their neighbors within {cutoff}.  It reqires a few
 
75
parameters, in {metal} units, for each atom type which provided in a 
 
76
file specified by {qfile}.  The file has the following format
 
77
 
 
78
1 chi eta gamma zeta qcore
 
79
2 chi eta gamma zeta qcore
 
80
...
 
81
Ntype chi eta gamma zeta qcore :pre
 
82
 
 
83
There is one line per atom type with the following parameters.
 
84
Only a subset of the parameters is used by each QEq style as descibed
 
85
below, thus the others can be set to 0.0 if desired.
 
86
 
 
87
{chi} = electronegativity in energy units
 
88
{eta} = self-Coulomb potential in energy units
 
89
{gamma} = shielded Coulomb constant defined by "ReaxFF force field"_#vanDuin in distance units
 
90
{zeta} = Slater type orbital exponent defined by the "Streitz-Mintmire"_#Streitz potential in reverse distance units
 
91
{qcore} = charge of the nucleus defined by the "Streitz-Mintmire potential"_#Streitz potential in charge units :ul
 
92
 
 
93
The {qeq/point} style describes partial charges on atoms as point
 
94
charges.  Interaction between a pair of charged particles is 1/r,
 
95
which is the simplest description of the interaction between charges.
 
96
Only the {chi} and {eta} parameters from the {qfile} file are used.
 
97
Note that Coulomb catastrophe can occur if repulsion between the pair
 
98
of charged particles is too weak.  This style solves partial charges
 
99
on atoms via the matrix inversion method.  A tolerance of 1.0e-6 is
 
100
usually a good number.
 
101
 
 
102
The {qeq/shielded} style describes partial charges on atoms also as
 
103
point charges, but uses a shielded Coulomb potential to describe the
 
104
interaction between a pair of charged particles.  Interaction through
 
105
the shielded Coulomb is given by equation (13) of the "ReaxFF force
 
106
field"_#vanDuin paper.  The shielding accounts for charge overlap
 
107
between charged particles at small separation.  This style is the same
 
108
as "fix qeq/reax"_fix_qeq_reax.html, and can be used with "pair_style
 
109
reax/c"_pair_reax_c.html.  Only the {chi}, {eta}, and {gamma}
 
110
parameters from the {qfile} file are used.  This style solves partial
 
111
charges on atoms via the matrix inversion method.  A tolerance of
 
112
1.0e-6 is usually a good number.
 
113
 
 
114
The {qeq/slater} style describes partial charges on atoms as spherical
 
115
charge densities centered around atoms via the Slater 1{s} orbital, so
 
116
that the interaction between a pair of charged particles is the
 
117
product of two Slater 1{s} orbitals.  The expression for the Slater
 
118
1{s} orbital is given under equation (6) of the
 
119
"Streitz-Mintmire"_#Streitz paper.  Only the {chi}, {eta}, {zeta}, and
 
120
{qcore} parameters from the {qfile} file are used.  This style solves
 
121
partial charges on atoms via the matrix inversion method.  A tolerance
 
122
of 1.0e-6 is usually a good number.
 
123
 
 
124
The {qeq/dynamic} style describes partial charges on atoms as point
 
125
charges that interact through 1/r, but the extended Lagrangian method
 
126
is used to solve partial charges on atoms.  Only the {chi} and {eta}
 
127
parameters from the {qfile} file are used.  Note that Coulomb
 
128
catastrophe can occur if repulsion between the pair of charged
 
129
particles is too weak.  A tolerance of 1.0e-3 is usually a good
 
130
number.
 
131
 
 
132
Note that {qeq/point}, {qeq/shielded}, and {qeq/slater} describe
 
133
different charge models, whereas the matrix inversion method and the
 
134
extended Lagrangian method ({qeq/dynamic}) are different solvers.
 
135
 
 
136
Note that the {qeq/point} and the {qeq/dynamic} styles both describe
 
137
charges as point charges that interact through 1/r relationship, but
 
138
solve partial charges on atoms using different solvers.  Styles
 
139
{qeq/point} and the {qeq/dynamic} should yield comparable results if
 
140
the QEq parameters and {Nevery}, {cutoff}, and {tolerance} are the
 
141
same.  Style {qeq/point} is typically faster, but {qeq/dynamic} scales
 
142
better on larger sizes.
 
143
 
 
144
IMPORTANT NOTE: To avoid the evaluation of the derivative of charge
 
145
with respect to position, which is typically ill-defined, the system
 
146
should have a zero net charge.
 
147
 
 
148
IMPORTANT NOTE: Developing QEq parameters (chi, eta, gamma, zeta, and
 
149
qcore) is an "art".  Charges on atoms are not guaranteed to
 
150
equilibrate with arbitrary choices of these parameters.  We do not
 
151
develop these QEq paramters.  See the examples/qeq directory for some
 
152
examples.
 
153
 
 
154
[Restart, fix_modify, output, run start/stop, minimize info:]
 
155
 
 
156
No information about these fixes is written to "binary restart
 
157
files"_restart.html.  No global scalar or vector or per-atom
 
158
quantities are stored by these fixes for access by various "output
 
159
commands"_Section_howto.html#howto_15.  No parameter of these fixes
 
160
can be used with the {start/stop} keywords of the "run"_run.html
 
161
command.
 
162
 
 
163
Thexe fixes are invoked during "energy minimization"_minimize.html.
 
164
 
 
165
[Restrictions:]
 
166
 
 
167
These fixes are part of the QEQ package.  They are only enabled if
 
168
LAMMPS was built with that package.  See the "Making
 
169
LAMMPS"_Section_start.html#start_3 section for more info.
 
170
 
 
171
[Related commands:]
 
172
 
 
173
"fix qeq/reax"_fix_qeq_reax.html, "fix qeq/comb"_fix_qeq_comb.html
 
174
 
 
175
[Default:] none
 
176
 
 
177
:line
 
178
 
 
179
:link(Rappe)
 
180
[(Rappe and Goddard)] A. K. Rappe and W. A. Goddard III, J Physical
 
181
Chemistry, 95, 3358-3363 (1991).
 
182
 
 
183
:link(Nakano)
 
184
[(Nakano)] A. Nakano, Computer Physics Communications, 104, 59-69 (1997).
 
185
 
 
186
:link(Rick)
 
187
[(Rick and Stuart)] S. W. Rick, S. J. Stuart, B. J. Berne, J Chemical Physics
 
188
101, 16141 (1994).
 
189
 
 
190
:link(Streitz)
 
191
[(Streitz-Mintmire)] F. H. Streitz, J. W. Mintmire, Physical Review B, 50, 
 
192
16, 11996 (1994)
 
193
 
 
194
:link(vanDuin)
 
195
[(ReaxFF)] A. C. T. van Duin, S. Dasgupta, F. Lorant, W. A. Goddard III, J 
 
196
Physical Chemistry, 105, 9396-9049 (2001)