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MIT3.320材料原子建模(2005年春)实验2222Quantum-EspressoQuantum-EspressoQuantum-EspressoQuantum-Espresso资料::::一个第一性原理代码我们将用Quantum-Espresso包作为我们的第一性原理代码.Quantum-Espresso是一个完全的abinitio软件包，可实现电子结构和能量计算,线形响应方法(计算声子色散曲线,介电常数,以及有效波恩电荷)和三次非谐微扰理论。Quantym-Espresso也包括两个分子动力学代码CPMD(从头分子动力学)andFPMD(第一性原理分子动力学)。在这个软件包里,我们用PWSCF进行总的能量的计算。PWSCF在密度泛函理论(DFT)内采用模守恒赝势(PP)以及超软赝势(US-PP)。Quantum-Espresso在GNUGPL条件下是免费的。更多信息(包括在线手册)见网站。当前版本为2.1.2，并在积极发展中。开有许多其他的第一性原理代码可以使用，在课程幻灯片里已经列出，包括:ABINITABINITABINITABINIT密度泛函理论平面波赝势(PP)软件。ABINIT也在GPL下免费。CPMDCPMDCPMDCPMD密度泛函理论平面波赝势软件,从头分子动力学。GPL。SIESTASIESTASIESTASIESTA局域密度泛函理论.。VASPVASPVASPVASP密度泛函(DFT)超软赝势(US-PP)以及PAW软件。在相同精度下USPP代码比PP代码快并且要复杂。用于学术，价格居中(~$2000)WIEN2kWIEN2kWIEN2kWIEN2k密度泛函(DFT)全势线性放大平面波(FLAPW)。FLAPW在密度泛函中是最精确的，但最慢。用于学术，价格便宜(~$500)第1页MIT3.320材料原子建模(2005年春)GaussianGaussianGaussianGaussian和更高次关联电子方法。用于学术，价格居中(~$3000)。最近向固体延伸。CrystalCrystalCrystalCrystal软件。用于学术，价格低(~$500)。下面介绍在Quantum-Espresso中怎么样用PWSCF获得能量值。一些有用的转化：1bohrbohrbohrbohr=1a.u.a.u.a.u.a.u.(原子单位atomicunit)=0.529177249埃。1RydbergRydbergRydbergRydberg(R(R(R(R∞∞∞∞))))=13.6056981eVeVeVeV1eVeVeVeV=1.60217733x10-19焦耳(Joules)(Joules)(Joules)(Joules)从athena,登陆到hpcbeo2$$$$sshsshsshsshhpcbeo2.mit.eduhpcbeo2.mit.eduhpcbeo2.mit.eduhpcbeo2.mit.edu然后创建一个目录，储存文件(你需要帮助就问)。如(假设你还没有创建一个叫“3.320”的目录）,$$$$mkdirmkdirmkdirmkdir3.3203.3203.3203.320$$$$cdcdcdcd3.3203.3203.3203.320$$$$mkdirmkdirmkdirmkdirLAB2LAB2LAB2LAB2$$$$cdcdcdcdLAB2LAB2LAB2LAB2$$$$mkdirmkdirmkdirmkdirPROBLEM1PROBLEM1PROBLEM1PROBLEM1现在拷贝我们需要的适当的输入文件和脚本文件$$$$cpcpcpcp~mounet/LAB2/C.scf.in~mounet/LAB2/C.scf.in~mounet/LAB2/C.scf.in~mounet/LAB2/C.scf.in....$$$$cpcpcpcp~mounet/LAB2/C.scf.j~mounet/LAB2/C.scf.j~mounet/LAB2/C.scf.j~mounet/LAB2/C.scf.j....你也可以拷贝可执行文件(不强制，因为脚本将能在目录~mounet/LAB2/下直接找到它)$$$$cpcpcpcp~mounet/LAB2/pw.x~mounet/LAB2/pw.x~mounet/LAB2/pw.x~mounet/LAB2/pw.x....问题１涉及到第一性原理计算的收敛问题。下面是问题1A和1B一些背景;如果你认为你不需要，跳到“背景摘要”部分。第2页MIT3.320材料原子建模(2005年春)问题1A1A1A1A的背景记住我们用周期边界条件处理无限系统。这意味着我们能利用Bloch定理解Schrödinger方程。Bloch定理为:其中在这些方程中，是波函数，是在点阵中的周期函数，是所有（至少原理上是的）倒易空间向量求和，是展开系数。在这个案例中，我们的基元函数（即我们展开的函数）是平面波。它们被称为“平面波”是因为等相的表面是和传播方向垂直的平行平面。记住限制平面波扩展到无限，但是是可计算和离散的向量的集合，这些向量是三个原胞向量的整数倍，我们选择与我们正点阵(directlattice)周期边界条件相匹配的平面波。在实际的计算中，我们必须限制平面波在某些点扩展（就是停止取得更多的），这叫做平面波的截断。截断总是取能量单位（如Rydberg或eV），对应于最高的动能。注意：倒易点阵(reciprocallattice)的单位是正点阵的倒数，或1/长度。但是我们能把1/长度转化成能量单位（记住以及，是波长，单位是1/长度）。问题1a是为了测试截断收敛问题。你可以设置比需要更高的截断，但计算时间要更长些。问题1B1B1B1B的背景....第3页MIT3.320材料原子建模(2005年春)由于Bloch定理，我们要在整个Brillouin区域求解类似于Schrödinger的Kohn-Sham方程（即自洽迭代MxM矩阵的对角化，这里M是基本方程的数量)。实际上，我们在有限个k值上实现它（如：粗粒化的Monkhorst-Pack网格），得到每个k的能量值，如下图示。这个图片流经第一Brillouin区(如果你不知道什么是Brillouin区，就该复习正点阵和倒易点阵）。为了得到晶体的能量值,我们必须在整个第一Brillouin区积分,在第一Brillouin区,能带被占据（并被体积划分）。因此，对有限的k点求和的到积分的近似值，你必须保证有足够的k点得到收敛的能量值。背景摘要对于所有的第一性原理的计算，你必须注意两个收敛问题，第一是能量截断，也就是波函数展开的截断。第二是k点的个数，它意味着离散格子对连续积分的近似度。输入文件第4页MIT3.320材料原子建模(2005年春)我们来看输入文件C.scf.in.,它会被包含在我们以后要用到的脚本(script)中。这是一个金刚石结构的碳的输入文件。金刚石是面心立方结构，在000和0.250.250.25位置有两个碳原子(当然在0.13,0.20,0.22和0.38,0.45,047位置也一样。为什么？）。金刚石看上去是这样的(a是点阵参数)。看看输入文件，你已经拷贝到你的目录下。为了查看这个文件，输入$$$$moremoremoremoreC.scf.inC.scf.inC.scf.inC.scf.in你可以滚动文件，通过输入空格（向下看），b（向前）或者q（退出）。这个文件如下：第5页MIT3.320材料原子建模(2005年春)添加行数字作参考。第1行:&control声明控制块。第2行:calculation='scf'告诉PWSCF将会进行自洽场计算。第3行:restart_mode='from_scratch',声明我们将产生一个新的结构。第6页MIT3.320材料原子建模(2005年春)第4行:prefix='diamond',声明用到的临时文件的文件名前缀。.第5行:tstress=.true.计算压力的控制命令。第6行:tprnfor=.true.计算力的控制命令。第7行pseudo_dir='/state/partition1/marzari',指定储存赝势的目录位置。第8行:outdir='/state/partition1/marzari'指定临时文件的位置。它应该被放在本地磁盘以便大的输入输出操作不占用网络。第9行:/表示块的结束第10-13行:系统块ibrav–给出晶体结构。ibrav=2表示面心立方结构。使用这个是因为结构对称可需要的计算量。如果需要其它晶体结构，参考INPUT_PW文件(在~mounet/LAB2/目录下)。celldm–指定单胞的尺寸，你可以改变这个参数。Celldm用原子单位(atomicunits),或bohrs。记住1bohr=0.529177249angstroms。这个值取决于结构Bravais格子（见下面的答案）。对于面心立方,celldm(1)=a0。对于立方体系,a=b=c=a0。其它晶体结构参考INPUT_PW文件。nat–原子数(每一个独特的原子)。注意金刚石在最小不对称单元有两个独特的原子。ntyp–原子类型数目。ecutwfc–赝势能量截断。这个非常重要,,,,你将要改变这个参数。第14-19行:电子块第7页MIT3.320材料原子建模(2005年春)diagonalization–对角化(diagonalization)方法。现在用默认值。mixing_beta-混合因子。现在不用管这个。mixing_mode–混合方法。现在不用管这个。conv_thr–收敛阈值。现在用默认值。Lines20-21:原子种类说明。在关键字ATOMIC_SPECIES后,对每一个ntyp输入原子符号(atomicsymbol)原子重量(atomicweight)赝势(pseudo-potential)Lines22-24:原子位置在关键字ATOMIC_POSITIONS后,对每一个ntyp输入原子符号(atomicsymbol)xyz这里x,y,z给出常规单元的分数坐标。Lines25-26:k点选择在关键字K_POINTS后,“automatic”告诉PWSCF自动产生k点格子。下一行的格式如下:nkxnkynkzoffxoffyoffz这里nk*是某个方向的区间数,off*是对于格子原点的偏移量。你能在NPUT_PW文件中看到输入文件的文档。它在~mounet/LAB2/目录下。hpcbeo2:hpcbeo2:hpcbeo2:hpcbeo2:SGESGESGESGE中的队列体系计算机群(cluster)通过队列体系(这里用SGE)来管理工作。工作(job)(也就是脚本，包含一套要被执行的命令)被提交给队列,它们聚集在这里等待计算机群的某些机器空闲。然后队列的第一项任务在空闲机器上运行，等等。在hpcbeo2SGE上，一些有用的用于管理任务的基本命令：–提交工作给队列$$$$qsubqsubqsubqsubC.scf.jC.scf.jC.scf.jC.scf.j这个命令在下一行也给出工作号。–检查你的工作状态第8页MIT3.320材料原子建模(2005年春)$$$$qstatqstatqstatqstat–检查某一工作的详细情况$$$$qstatqs