VASP程序使用-2010

nullnullVASP基本原理简介 基本知识 常用关键词使用说明 计算结果处理nullVASP程序基本原理 VASP是基于赝势平面波基组的密度泛函程序，其前身是CASTEP 1989版本，其基本原理如下： 根据Bloch定理，对于周期体系，其电子波函数可以写为单胞部分和类波部分的乘积： 其中，单胞部分的波函数可以用一组在倒易空间的平面 波来表示： null这样，电子波函数可以写为平面波的加和： 根据密度泛函理论，波函数通过求解Kohn—Sham方程来确定： i：Kohn—Sham本征值 Vion：电子与核之间的作用势 VH和VXC：电子的Hartree势和交换—相关势 null基于平面波表示的Kohn—Sham方程： 上式中动能项是对角化的，通过求解上式方括号中的哈密顿矩 阵来求解KS方程，该矩阵的大小由截至能(cutoff energy)来决定。null程序流程： null 与原子轨道基组相比，平面波基组有如下优点： 无需考虑BSSE校正； 平面波基函数的具体形式不依赖于核的坐标，这样，一方面，价电子对离子的作用力可以直接用Hellman-Feymann定理得到解析的表达式，计算显得非常方便，另一方面也使能量的计算在不同的原子构象下具有基本相同的精度； 很方便地采用快速傅立叶变换(FFT)技术，使能量、力等的计算在实空间和倒易空间快速转换，这样计算尽可能在方便的空间中进行； 计算的收敛性和精确性比较容易控制，因为通过截断能的选择可以方便控制平面波基组的大小。null 平面波基组方法的不足之处： 所求得的波函数很难寻找出一个直观的物理或化学图象与化学家习惯的原子轨道的概念相联系，即其结果与化学家所感兴趣的成键和轨道作用图象很难联系出来，这就为我们计算结果的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 带来了困难； 考察某些物理量时，例如原子电荷，涉及到积分范围的选取，这造成所得物理量的绝对值意义不大； 有些方法，例如杂化密度泛函方法不易于采用平面波基组方法实现。nullVASP程序基本知识1. VASP程序主要功能： 能量计算J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 191null能带结构DOS2) 电子结构(能带结构、DOS、电荷密度分布)null电荷密度分布J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 19270null3) 构型优化(含过渡态)和反应途径J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 15454null4) 频率计算和HREELS能谱模拟J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 7437null5) STM图像模拟Surf. Sci., 2007, 601, 3488null6) UPS能谱图像模拟Surf. Sci., 2007, 601, 3488null7) 材料光学性质计算8) 其它性质计算，包括功函、力学性质等null2. 重复平板模型(或层晶模型)： VASP程序采用重复平板模型来模拟零维至三维体系零维分子体系nullDv: Vacuum thickness (~10 A)二维固体表面null说明： 重复平板模型中的平移矢量长度必须合理选择，以保证： 对于分子体系，必须保证相邻重复单元中最近邻原子之间的距离必须至少7~10埃以上； 对于一维体系，相邻两条链最近邻原子之间的距离必须至少7~10埃以上； 对二维体系，上下两个平板最近邻原子之间的距离必须至少7~10埃以上；null4) 严格意义上，通过考察体系总能量/能量差值对真空区大小的收敛情况来确定合理的平移矢量长度。null3. K网格大小的选择： 对于一维至三维体系的计算，需涉及k点数目的选择，对 于K点的确定，它与布里渊区的形状以及对称性有关。VASP的 K点输入方法有多种，其中最常用的是直接给定K-mesh的大小， 然后程序根据布里渊区的形状以及对称性自动生成各K点的坐 标和权重。 对于K-mesh的确定方法，通常通过考察总能量/能量差的收敛 程度来确定，能量的收敛 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 是1meV/atom。 多数情况下，对半导体或绝缘体较小的K-mesh能量就可以 收敛，对于导体，一般需要较大的K-mesh。nullnull硅体相总能量随K-mesh大小的变化情况null4. Cutoff energy大小的选择： 截至能的大小直接影响到计算结果的精度和计算速度， 因此，它是平面波计算方法的一个重要参数。 理论上截至能越大计算结果也可靠，但截至能大小决定 了计算中平面波的数目，平面波数目越多计算时间约长、内 存开销越大。 一般根据所求物理量来确定截至能，例如计算体模量以 及弹性系数时，需要较高的截至能，而通常的构型优化只要 中等大小的截至能即可，另外动力学模拟时，可选取低的截 至能。 null 不同元素在构造其赝势时，有各自的截至能，对于VASP， 在缺省情况下，选取的是中等大小的截至能，这对于求解多 数物理量是足够的。严格意义上，截至能的确定与K-mesh大 小的确定类似，也是通过考察在总能量的收敛情况来确定(即 保证总能量收敛至1meV/atom)。null硅体相总能量随cutoff energy大小的变化情况null5. VASP输入和输出文件：输入文件(文件名必需大写) INCAR : 其内容为关键词，确定了计算参数以及目的； POSCAR : 构型描述文件，主要包括平移矢量、原子类 型和数目、以及各原子坐标； KPOINTS : K点定义文件，可手动定义和自动产生； POTCAR : 各原子的赝势定义文件。null主要输出文件 OUTCAR : 最主要的输出文件，包含了所有重要信息； OSZICAR : 输出计算过程的能量迭代信息； CONTCAR: 内容为最新一轮的构型(分数坐标，可用于续算)； CHGCAR、CHG、PARCHG :用于电荷密度图绘制； WAVECAR : 波函数文件； EIGENVAL: 记录各K点的能量本征值，用于绘制能带图； XDATCAR: 构型迭代过程中各轮的构型信息(分数坐标，用于 动力学模拟)； DOSCAR : 态密度信息。nullPOSCAR文件内容说明：Silicon bulk (Title) 2.9 (Scaling factor or lattice constant) 0.0 1.0 1.0 (第一个平移矢量的方向) 1.0 0.0 1.0 (第二个平移矢量的方向) 1.0 1.0 0.0 (第三个平移矢量的方向) 2(单胞内原子数目以及原子种类) Selective dynamics(表示对构型进行部分优化，如果没这行，则表示全优化) Direct (表示所采用的为分数坐标，如果内容为Car，则坐标单位为埃) 0.125 0.125 0.125 T T T (各原子坐标以及哪个方向坐标放开优化) -0.125 -0.125 -0.125 T T Tnullsurface of mgo(100) (2*2)Mg 1.00000000000000 5.9459999999999997 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 5.9459999999999997 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 20.0000000000000000 20 20 (体系中有2种元素，各自的原子数目分别为20，20) Selective dynamics Direct 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.5000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.5000000000000000 0.5000000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.0000000000000000 0.5000000000000000 0.0000000000000000 F F F …… 0.2500000000000000 0.2500000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.7500000000000000 0.2500000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.2500000000000000 0.7500000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.7500000000000000 0.7500000000000000 0.0000000000000000 F F F ……nullPOTCAR文件内容说明： VASP程序本身有提供了赝势库，只需将体系各类原子的 赝势合并在一起即可，但需注意到： 1) 赝势类型： US型赝势LDAGGAPW91PBEPAW型赝势GGAPW91PBELDAUS型赝势所需截至能较小，计算速度快，PAW赝势截至能通常较大，而且考虑的电子数多，计算慢，但精确度高。null2) POTCAT中各原子赝势定义的顺序必需与POSCAR中相同：surface of mgo(100) (2*2)Mg 1.00000000000000 5.9459999999999997 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 5.9459999999999997 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 20.0000000000000000 20 20 Selective dynamics Direct ……3) 对各原子的赝势参数，我们最关心的是截至能以及电子数; 4) POTCAR的泛函类型必需与INCAR中GGA关键词定义的 类型一致； 5) 使用zcat命令产生和合并POTCAR文件。null对应于中等大小的截至能 (构型优化时采用)对应于低的截至能 (动力学模拟时采用)构造该赝势时，所采用的泛函类型， 这里为PW91电子数目和组态nullKPOINTS文件内容说明： 一般有两种定义K点的方法： 1) 通过定义K-mesh大小，由程序自动产生各K点：Automatic mesh (title) 0 (为0时，表示自动产生K点) M (表示采用Monkhorst-Pack方法生成K点坐标) 5 5 5(对应于5x5x5网格) 0 0 0(原点平移大小)null2)手动定义各K点的坐标(一般仅在计算能带结构时使用)： k-points for MgO(100) (title) 31 (K点数目) Rec (字母R打头表示为倒易空间坐标，否则为实空间的坐标) 0.0 0.0 0.0 1.0 (各K点的坐标以及权重) 0.05 0.0 0.0 1.0 0.1 0.0 0.0 1.0 0.15 0.0 0.0 1.0 0.2 0.0 0.0 1.0 0.25 0.0 0.0 1.0 0.3 0.0 0.0 1.0 0.35 0.0 0.0 1.0 0.4 0.0 0.0 1.0 0.45 0.0 0.0 1.0 0.5 0.0 0.0 1.0 ……null6. VASP安装和运行： (1) VASP程序安装： a. 设置编译环境：安装Fortran编译器，常用为IFC b. 对于并行版本vasp的编译，还需安装MPICH c. 编译vasp自带的库文件 d. 对makefile进行修改，包括BLAS和Lapack库文件所在 目录，一般可采用IFC所带的数学库 e. 运行make命令进行编译 (2) 创建输入文件，包括INCAR，KPOINTS，POSCAR 和POTCARnull (3) 运行vasp： 单机版： ~/bin/vasp.4.5-ifc-mk-sp > vasp.out &版本号编译环境多个K点Single process并行版本：mpirun –np 4 –machinefile ./hosts ~/bin/vasp.4.5-ifc-mk-mp > & vasp.out &CPU数目存放要并行运算的机器名或者IPnull常用关键词使用说明 (部分参考清华大学物理系苏长荣编写的VASP安装和使用说明)(1)(2)null一般单胞尺寸大时，选实空间，小单胞选取倒易空间。EDIFF=1e-4ENCUT=数值 用户手动定义截至能，如果没有，则由PREC选项确定。(3)(4)(5)(6)nullEDIFFG=EDIFF×10当数值为负数时，表示以力作为收敛标准，多数情况均采用 力作为收敛标准。ALGO=38|48 该关键词确定能量计算迭代方法 38-采用Davidson优化方法；(可靠，但速度慢) 48-采用RMM-DIIS算法；(常用，速度快)ISYM=0|1|2 该关键词确定能量和构型优化时是否使用对称性(将影响到K 点数目和计算量大小) 0-不使用对称性； 1-采用对称性； 2-用于PAW型赝势；(7)(8)nullNELM=整数 该关键词确定能量自洽场最大迭代轮数，缺省为60轮； NELMIN=整数 在构型优化中，计算每个构象能量时最少迭代轮数，一般为3~4，以保证能量和力的稳定性；定义DFT泛函类型，注意要与POTCAR中的赝势类型一致。(9)(10)ISPIN=1|2 1-非自旋极化计算(缺省) 2-自旋极化计算, 将给出体系磁矩大小(对含有过渡金属原 子体系，一般均要采用自旋极化方法)。(11)null(12)null(13)null ISMEAR选择： 1) 对半导体或绝缘体选取-5，如果单胞较大时，或者所选取k 点数目少时，用0； 2) 对导体，通常用0； SIGMA取值： SIGMA取值的原则是使得计算得到的TS项(OUTCAR中)， 分摊到每个原子上时小于1meV，否则得到的总能量不准确， 对导体尤其要注意该参数的选择。null以下为构型优化所用关键词： NSW=整数 构型优化的最大轮数 IBRION = -1|0|1|2 构型优化方法： -1-构型不变更； 0-分子动力学模拟； 1-采用准牛顿方法确定新的构型(当初始构型较合理时使用)； 2-采用CG方法确定构型(当初始构型离平衡位置较远时使用)。 POTIM=数值 控制构型优化步长，缺省为0.5，对动力学模拟则为时 间步长(单位为fs)(14)null输出控制关键词： LCHARG = .FALSE. (输出电荷密度？) LWAVE = .FALSE. (输出波函数？) LVTOT = .FALSE.(输出静电势，求功函时使用) 其他关键词： NPAR = 8 (CPU数目，并行计算时使用) LPLANE = .TRUE.(与并行算法有关) (15)(16)null 实例： SYSTEM = Silicon bulk NPAR = 2 LPLANE = .TRUE. Elecronic minimisation ISTART = 0 LREAL= .FALSE. PREC = Medium precission: Mediun/High/Low EDIFF = 1e-4 converge criterion: default = 1e-4 EDIFFG = -0.02 converge criterion for relation loop IALGO = 48 algorithm (8-CG, 48-RMM) NELMIN = 3 the minimum number of electronic SC steps ISYM = 1 symmetry (2-PAW on, 1-US-PP's on, 0-off) ISIF = 3 Relax ions ISPIN = 1 ISMEAR = -5 (tetrahedron/gaussian/m-p) SIGMA = 0.1nullOUTPUT CONTROL LCHARG = .FALSE. LWAVE = .FALSE. the i/o cost is not worth it. LVTOT = .FALSE. IONIC RELAXATION NBLOCK = 1 steps for inner block NSW = 300 number of steps for IOM IBRION = 1 -1:no update 0-MD 1-quasi-New 2-CG POTIM = 0.50 default 0.5 of IBRION=1-3null练习： 对MgO体相的构型(包括原子位置和单胞外形)进行优化，并考察k网格和动能大小对计算结果的影响，计算体系的力学性质。 MgO体相的构型参数: 空间群—No. 225 FM-3M 单胞参数—a=b=c=4.2112Ånull步骤： 1. 确定构型，包括平移矢量以及各个原子的坐标。 可通过其它软件(如Crystal, Materials Studio等)间接获得。null从MS构型库里面读取MgO构型：null转化为原胞构型：null原胞构型null选择Castep计算设置窗口，选择Files选项获取构型输入文件：null到相应的目录下找到CELL文件(该文件为隐藏文件)，从中找到平移矢量和各原子分数坐标：null2. 构造VASP四个输入文件，包括INCAR、KPOINTS、POSCAR和POTCAR。 其中POSCAR文件内容由前一步骤获得： MgO bulk 1.0 0.0 2.1056 2.1056 2.1056 0.0 2.1056 2.1056 2.1056 0.0 1 1 direct 0.0 0.0 0.0 0.5 0.5 0.5 INCAR和KPOINTS文件内容见前.null3. 运行vasp 4. 力学性质中弹性系数计算方法见参考文献：Comput. Phys. Commun., 2010, 181, 671. 对立方晶系，独立的弹性系数有c11, c12和c44：体模量和弹性系数的关系为：实验值：c11=297.08 GPa; c12=95.36 GPa; c44=156.13 GPa