VASP及第一性原理电子结构计算

报告人：赵维VASPVASP及第一性原理电子结构计算及第一性原理电子结构计算VASPVASP及第性原理电子结构计算及第性原理电子结构计算第一性原理仅需五个物理基本常数电子质量电子电量普郎克常数光速和玻第性原理仅需五个物理基本常数——电子质量、电子电量、普郎克常数、光速和玻耳兹曼常数，通过求薛定谔方程得到材料的电子结构，而不依赖于任何经验常数即可以预测微观体系的状态和性质，预测材料的组分、结构、性能之间的关系，进一步设计具有特定性能的新材料。作为评价事物的依据，第一性原理和经验参数是两个极端。第一性原理是某些硬性规定或推演得出的结论，而经验参数则是通过大量实例得出的规律性演得数实得律的数据。第一性原理电子结构计算程序：VASP第性原理电子结构计算程序：VASP输入文件输入文件POSCAR:描述体系结构的文件INCAR:计算控制参数文件计算控制参数文件KPOINTS:k点取样设置文件POTCAR:赝势文件输出文件OUTCAR:昀主要的输出文件DOSCAR:电子态密度文件EIGENVAL:本征值文件OSZICAR:每次迭代或原子迟豫信息CHG和CHGCAR:电荷密度文件WAVECAR:波函数文件WAVECAR:波函数文件POSCAR•描述了体系的结构文件:原(或晶)胞的基矢原子的位置原子是否移动等)•描述了体系的结构文件:原(或晶)胞的基矢,原子的位置,原子是否移动等)CubicSiC设置体系的名称CubicSiC3.570.00.50.50.50.00.5设置体系的名称晶格常数或缩放系数原胞的基矢0.50.00.50.50.50.011Direct每类原子的个数确定按何种坐标来写原子位置0.000.000.000.250.250.25第一类原子的第一个坐标第二类原子的第一坐标☺第七行以字母D开头表示下面的是分数坐标，如果是以C或K开头表示下面的坐标是卡笛尔坐标。INCAR•设置计算的精度•设置是做什么计算•设置是做什么计算•设置交换关联函数•设置优化的算法和收敛标准等等设置优化的算法和收敛标准等等•共100多个关键词，一般都有合适的默认值。通常需设置的有10个左右即使INCAR文件无任何内容也可以进行计算10个左右。即使INCAR文件无任何内容也可以进行计算。INCAR推荐：自己手动设置ENCUTTITLEISTARTICHARGISMEAREDIFFPREC等推荐：自己手动设置ENCUT,TITLE,ISTART,ICHARG,ISMEAR,EDIFF,PREC等SYSTEM=Silicon设置标题，以说明所计算的体系ENCUT=350ISTART=0ICHARG2设置平面波切断动能(不采用默认值)说明这次计算是一次全新的计算按体系中的原子构造初始的原子密度ICHARG=2ISMEAR=-5EDIFF=1E-5按体系中的原子构造初始的原子密度采用四面体方法电子迭代的收敛标准是1E-5EDIFF1E5PREC=Accurate电子迭代的收敛标准是1E-5精度为Accurate☺可以在一行设置多个关键词，但是每个关键值之间用分号(;)隔开。如ISMEAR=0;SIGMA=0.2。☺当想不用INCAR中某个关键词时，在该行前加上井号(#)注释掉，如#ISMEAR=0;当不用中某个关键词时在该行前加井号()注释掉如;SIGMA=0.2KPOINTSKPOINTSVASP计算是在倒空间和实空间中交互进行的，对布里渊区k点的积分在实际计•设置方式：手动输入所有的k点，按Monkhorst-Pack方法自动产生格式普通四面体Li模式MP网格算中用对k点的权重求和代替。k点的选择对计算精度有很大影响，须小心。•格式：普通，四面体，Line模式，M-P网格Automaticmesh标题或注释行无特别意义完全自动的方式Automaticmesh0Monkhorst-Pack101010标题或注释行，无特别意义0表示自动产生k点以字母M开头表示按M-P方法自动产生k点确定沿倒格子各方向上网格点的数目1010100.00.00.0确定沿倒格子各方向上网格点的数目对所按网格分割产生的k点进行平移的量（这里不平移)Automaticmesh标题或注释行，无特别意义Automaticmesh0Gamma101010标题或注释行，无特别意义0表示自动产生k点以字母G开头表示按M-P方法以Γ点为中心自动产生k点确定沿倒格子各方向上网格点的数目0.00.00.0格格数对所按网格分割产生的k点进行平移的量（这里不平移）KPOINTS•按Line模式手动输入各个高对称k点(用在计算能带中)KPOINTS按模式手动输入各个高对称点(用在计算能带中)kalonghighsymmetrylines标题或注释行，无特别意义10Line-mode每对高对称点之间产生10个k点以字母L开头表示按line模式产生k点Rec0.000.000.00!gamma0.500.500.00!X以字母R开头表示k点按倒格子坐标系每对高对称点的坐标。（共三对，表明沿着Gamma算能带0.500.500.00!X0.500.750.25!WXWGamma计算能带）0.500.750.25!W0.000.000.00!gamma如何写出各种倒格子中的高对称点标记和坐标：a)查空间群国际表;b)用xcrysden软件画出布里渊区，并选取高对称点。g)用y软件画出布里渊区并选取高对称点POTCARPOTCAR•在VASP中采用赝势来描述核和芯电子对价电子的作用根据方法不同有Ultft赝势(USPP)和投影缀加波的赝势(PAW)•根据方法不同有Ultra-soft赝势(USPP)和投影缀加波的赝势(PAW)•根据交换关联势的不同有LDA和GGA•按POSCAR文件中每类原子的顺序把各类原子相应的赝势合并到同一个文件(POTCAR)中(POTCAR)中。•每类原子的赝势类型(USPP或PAW)一致•每类原子的赝势类型(LDA或GGA)要与INCAR中交换关联设置一致示例:用VASP求Mg的电子态密度和能带示例:用VASP求Mg的电子态密度和能带(1).生成4个输入文件:POSCARPOTCARINCARKPOINTS(2).自洽计算优化晶格参数,求出能量昀低所对应的晶格参数(3)固定晶格参数静态计算求出自洽的电荷密度(3).固定晶格参数,静态计算求出自洽的电荷密度(4).修改KPOINTS和INCAR输入文件,固定电荷密度,做非自洽计算得到输出文件提取数据画态密度图计算,得到输出文件DOSCAR，提取数据,画态密度图(5).修改KPOINTS和INCAR输入文件,固定电荷密度,做非自洽)计算,得到输出文件EIGENVAL，提取数据,画能带图(1).生成4个输入文件:POSCARPOTCARINCARKPOINTSHcpMg3.2080.5-0.8660.005086600System=hcpMg#注释行ISTART=0#一次全新的计算定义电子的优化POTCAR从VASP程序包中提取0.50.8660.00.00.01.62Direct#定义电子的优化ENCUT=150#平面波切断动能NELM100#昀大电子迭代次数Direct0.00.00.00.66670.33330.5NELM=100#昀大电子迭代次数EDIFF=1E-04#总能计算允许误差#定义离子实的优化Automaticmesh0#定义离子实的优化NSW=100#离子运动的步数EDIFFG=-002#离子驰豫结束条件0Gamma10106000000EDIFFG0.02#离子驰豫结束条件IBRION=2#离子驰豫算法ISIF=2#离子驰豫方式0.00.00.0ISIF2#离子驰豫方式(2)自洽计算优化晶格参数,求出能量昀低所对应的晶格参数()111111(3)固定晶格参数,静态自洽计算求出自洽的电荷密度(i)找到平衡晶格常数后,进行静态的自洽计算就可()固格参数静洽算出洽的电荷密度以求出自洽的电荷密度(ii)计算得到的自洽的电荷密度要保存下来，在后边计算其他的性质时会用到；另外也可以根据它画出电荷密度图分析原子间的建和作用1321它画出电荷密度图，分析原子间的建和作用。System=hcpMg#注释行ISTART=0#一次全新的计算ISTART0#次全新的计算#定义电子的优化ENCUT=150#平面波切断动能NELM=100#昀大电子迭代次数NELM=100#昀大电子迭代次数EDIFF=1E-04#总能计算允许误差#定义离子实的优化NSW100离子动的步数NSW=100#离子运动的步数EDIFFG=-0.02#离子驰豫结束条件IBRION=2#离子驰豫算法ISIF=2#离子驰豫方式(4).做非自洽计算,求态密度Automaticmesh算密度System=hcpMgISTART=1ICHARG=11#注释行#波函数从WAVECAR文件读入#由给定的电荷密度求得能级本征值和态密度Automaticmesh0Gamma1010100000000.50.6PREC=AccurateENCUT=150#计算精度#平面波切断动能(根据不同体系自行设置)Automaticmesh00.00.00.00.20.30.4DOSISMEAR=-5LORBIT=10#静态或态密度计算且K点数目大于4时=-5#获得分波态密度PDOS（仅适用PAW）Gamma1919190.00.00.0-6-4-202468100.1Energy424133DOSCAR文件处理DOSCAR给出了体系的电子态密度(单位为States/eV.unitcell)和态密度积分值22100.1891678E+020.3768172E-090.3768172E-090.3768172E-090.5000000E-151.00000000000000D-004CARLaN7.84401537-16.511000923011.856740531.00000000-16.5110.0000E+000.0000E+00-16.4300.0000E+000.0000E+00EminEmax费米能级……………….在Emin和Emax之间的点的数目能量态密度态密度积分值(电子数)如果设置了LORBIT10或RWIGS则接下来的是每个原子的PDOS11.51552274-24.10088172301-2.076695511.00000000-24.1010.0000E+000.0000E+000.0000E+00如果设置了LORBIT=10或RWIGS则接下来的是每个原子的PDOS-23.9820.0000E+000.0000E+000.0000E+00-23.8630.0000E+000.0000E+000.0000E+00-23.745-0.3933E-30-0.7823E-32-0.4612E-32-23.626-0.4581E-26-0.9128E-28-0.5372E-28能量spd(5)做非自洽计算求能带(5).做非自洽计算,求能带修改INCAR文件•修改INCAR文件•修改KPOINTS输入文件•运行VASP程序,从输出文件EIGENVAL中提出能带结构System=hcpMgISTART1#注释行#波函数从WAVECAR文件读入ISTART=1ICHARG=11PREC=Accurate#波函数从WAVECAR文件读入#由给定的电荷密度求得能级本征之和态密度#计算精度PREC=AccurateENCUT=150#计算精度#平面波切断动能(根据不同体系自行设置)修改KPOINTS输入文件修改KPOINTS输入文件)0000.0,0000.0,0000.0(),,()0000.0,3333.0,3333.0(K)0000.0,0000.0,5000.0(M)5000.0,0000.0,0000.0(A)5000.0,3333.0,3333.0(H)5000.0,0000.0,5000.0(L修改KPOINTS输入文件修改KPOINTS输入文件Kalonghig