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自旋轨道耦合计算过程探索1.经验总结1）对于Bi2Se3家族材料，QL内是强的共价结合作用，QL之间是范德瓦尔斯作用力。所以，在优化结构的时候，需要考虑范德瓦尔斯相互作用。2）VASP手册上一共有5种计算范德瓦尔斯相互作用的方法，如下：Correlationfunctionals：LUSEVDW=.TRUE.thePBEcorrelationcorrectionAGGAC=0.0000Exchange交换functionalsvdW-DFvdW-DF2方法一方法二方法三方法四方法五revPBEoptPBEoptB88optB86brPW86GGA=RELUSE_VDW=.TRUE.AGGAC=0.0000GGA=ORLUSE_VDW=.TRUE.AGGAC=0.0000GGA=BOPARAM1=0.1833333333PARAM2=0.2200000000LUSE_VDW=.TRUE.AGGAC=0.0000GGA=MKPARAM1=0.1234PARAM2=1.0000LUSE_VDW=.TRUE.AGGAC=0.0000GGA=MLZab_vdW=-1.8867LUSE_VDW=.TRUE.AGGAC=0.0000一般，对于一种没有算过的新材料，可以尝试以上五种方法，哪一种最合理就用哪个。Bi2Se3家族材料，经测试最合适的是optPBE-vdW方法。3）测试发现，对于1QL和块体，范德瓦尔斯作用的影响不是很影响；对于多个QL厚度的薄膜，QL之间范德瓦尔斯作用的影响比较明显。4）文献上，很多人直接不优化结构，用实验上的参数，这样算，得到的结果也比较合理。5）算soc加入LSORBIT=.TRUE.和LORBMOM=.TRUE.，比LSORBIT=.TRUE.和GGA_COMPAT=.FALSE.得到的结果更合理。6）薄膜优化的时候，可以用ISIF=2。7）计算静态的时候输出CHARG，能带的时候ISTART可以等于0，ICHARG等于11。7）薄膜的结构需要中心对称，切得时候需要注意。8）计算vdW，需要vasp5.2.12以上的版本，并且将vdw_kernel.bindat文件放到计算的文件夹中。9）vdW相互作用对结构的影响比较大，对后面的静态计算和能带计算电子态的影响比较小。10）取合适的K点，可以得到较为合理的结构，对后面电子态的计算影响也不是很大。2.结构优化赝势：PAW_GGA_PBEEcut=340eVKpoints=10×10×10ISMER取-5，计算能带时，取0，对应SIGMA=0.05在MS中可以在build-Symmetry-中把Bi2Se3rhombohedralrepresentation（菱形表示）和hexagonalrepresentation（六角表示）相互转换图中黑色t1、t2、t3基矢围成菱形原胞，用于计算块体，红色方框包含一个五元层计算能带的布里渊区高对称点：块体:文献中倒空间高对称点坐标Г(000)-Z(πππ)-F(ππ0)-Г(000)-L(π00)，根据正空间和倒空间坐标的转换关系，得到正空间中高对称点的坐标：Г(000)-Z(0.50.50.5)-F(0.50.50)-Г(000)-L(00-0.5)KPOINTS20Line-modeRec0.00.00.0!Г0.50.50.5!Z0.50.50.5!Z0.50.50.0!F0.50.50.0!F0.00.00.0!Г0.00.00.0!Г0.00.0-0.5!L[通过比较结构，发现Ecut=580，KPOINTS=151515，得到的结构比较靠谱]3.块体soc的计算文献能带结构图：块体（Bi2Se3-VASP-GGA-PAW-PBE）Sb2Te3Bi2Te3Bi2Se3晶格参数六角a(Å)4.2504.3834.138六角c(Å)30.3530.48728.64菱形T(Å)10.4110.4739.841原子位置μ(2Bi)0.4000.4000.399v(2Se2)0.2110.2120.2060(Se1)000我们的结果（未考虑vdW+静态和能带都加soc计算结果与文献基本符合）：4.薄膜的计算薄膜：Kpoints=10×10×1计算能带的K点和石墨烯（六角晶胞的）的K点一样:KPOINTS20Lone-modeRec0.666666670.333333330.0!K0.00.00.0!Г0.00.00.0!Г0.50.00.0!M考虑薄膜的对称性由MS六角结构，沿（001）方向切割，可以得到两种以Se原子作为表面原子的薄膜，如下图，分别为1QL和3QL的两种切法，右图比左图对称性要更好一些，这一区别在计算过程中会导致巨大的区别，我们通过比较，发现，只有右图的结果，才可以得到合理的结果，尤其是在多个QL的情况。用左边结构得到的结果（Bi2Se3）：用左边结构得到的结果（Bi2Te3）：用右边结构得到的结果（Bi2Se3）：1QL—根据块体的数据得到薄膜，分以下两种情况计算：1.不优化结构，scf不加soc，bands加soc2.用块体的参数，加vdW优化结构，scf不加soc，bands加soc1QL—在静态中也加入soc1.不优化结构，scf和bands加入LORBMOM=.TRUE.，LSORBIT=.TRUE.2.不优化结构，scf和bands加入LORBMOM=.TRUE.，GGA_COMPAT=.FALSE.3.优化结构，scf和bands加入LORBMOM=.TRUE.，LSORBIT=.TRUE.4.优化结构，scf和bands加入LORBMOM=.TRUE.，GGA_COMPAT=.FALSE.文献结果：上图是没有进行离子弛豫的1QL~6QL的Bi2Se3薄膜能带结构上图采用optPBE-vdW泛函进行离子弛豫1QL~6QL的Bi2Se3薄膜能带结构上图是实验观测的1QL~6QL（12356）的Bi2Se3薄膜能带结构.5.调试过程错误总结错误1：VERYBADNEWS!InternalerrorinsubroutineIBZKPT:Reciprocallatticeandk-latticebelongtodifferentclassoflattices.Oftenresultsarestilluseful...48Internal内部subroutine子程序Reciprocal倒数的非常严重的错误！子程序IBZKPT中内部错误：倒格子和k点网格属于不同类型的格子。通常结果还是有用的。解决方案：根据所用集群，修改INCAR中NPAR。将NPAR=4变成NPAR=1，已解决！错误2：internalERRORRSPHER:runningoutofbuffer001310nonlr.F:OutofbufferRSPHER解决方案：根据CPU的数量，修改INCAR中NPAR，将NPAR=1修改成4（或者2），问题得以解决。错误3：WARNING:Sub-Space-MatrixisnothermitianinDAV4-4.681828688433112E-002Sub-Space-Matrix子空间矩阵、亚空间矩阵Hermitian厄米共轭警告：戴维森方法（DAV）中的子空间矩阵不是厄米共轭的。解决方案：只需调整AMIX,BMIX的值，把他们设置小一些。一般采用其默认值，除非在电子迭代难以收敛的情况，才手动设置AMIX和BMIX等参数值。经对Mixing方法的调试，通过将默认AMIX=0.4，修改成AMIX=0.2（或0.3），问题得以解决。Mixing方法：IMIX=typeofmixing混合、混频，AMIX=linearmixingparameter，AMIN=minimalmixingparameter,BMIX=cutoffwavevectorforKerkermixingscheme,AMIX_MAG=linearmixingparameterformagnetization,BMIX_MAG=cutoffwavevectorforKerkermixingschemeformag,WC=weightfactorforeachstepinBroydenmixingscheme,INIMIX=typeofinitialforeachstepinBroydenmixingscheme,MIXPRE=typeofpreconditioninginBroydenmixingscheme,MAXMIX=maximumnumberstepsstoredinBroydenmixer.错误4：WARNING:Sub-Space-MatrixisnothermitianinDAV1-7.626640664998020E-003解决方案：在INCAR中加上IALG=Fast已解决！（1QL、2QL已解决，3QL以上未解决）IALG=Fast(两种方法混用)IALGO=38IALG=Normal电子优化采用blockedDavidson方法IALGO=48IALG=Very_Fast电子优化采用RMM-DIIS算法错误5：ADVICETOTHISUSERRUNNING'VASP/VAMP'(HEARYOURMASTER'SVOICE...):Youhavea(moreorless)'smallsupercell'andforsmallercellsitisrecommendedtousethereciprocal-spaceprojectionscheme!Therealspaceoptimizationisnotefficientforsmallcellsanditisalsolessaccurate...ThereforesetLREAL=.FALSE.intheINCARfile解决方案：对于较小的晶胞（原子数小于20），设置LREAL=.FALSE.，计算结果比较精确。而对于较大的晶胞，设置LREAL=Auto，这样计算速度比较快。对于1QL2QL3QL原子数分别为5、10、15，LREAL=.False.对于4QL5QL6QL原子数分别为20、25、30，LREAL=Auto错误6：自旋轨道耦合计算时，静态和能带计算中出现的错误：ERROR:noncollinearcalculationsrequirethatVASPiscompiledwithouttheflag-DNGXhalfand-DNGZhalf错误：非线性计算需要编译过的VASP，VASP中不包含-DNGXhalf和-DNGZhalf解决方案：重新编译VASP。don'tforgetthatyoumayhavetore-compilevaspwithoutanyoftheprecompiler(CPP)flagsset:-DNGXhalf,-DNGZhalf,-DwNGXhalf,-DwNGZhalf,asnecessaryfornon-collinearrunsingeneralfornon-collinearmagnetism不要忘记如果你用的vasp不包含任何预编译程序命令-DNGXhalf,-DNGZhalf,-DwNGXhalf,-DwNGZhalf，你必须重新编译vasp只有编译过，因为这些参数通常对于非线性磁性计算是必要的.错误7:SB-3QL计算总是出现这个错误VERYBADNEWS!internalerrorinsubroutineSGRCON:Foundsomenon-integerelementinrotationmatrix3解决办法：首先检查POSCAR是否有问题。MS重新获取POSCAR，参与计算，已解决。错误8:WARNING:randomwavefunctionsbutnodelayformixing,defaultforNELMDL建议解决办法：一般不是很影响，可以继续算。可以设置NELMDL=-5或者其它的数,是前5步保持电荷密度不变,只弛豫波函数。错误9:计算结构得到一个空的，然后算静