VASP操作介绍两次课PPT学习教案

1、会计学1VASP操作介绍两次课操作介绍两次课第1页/共83页很多可以跟FLAPW相比，并且计算速度比FLAPW快很多。 已广泛应用于材料科学领域。第2页/共83页1. VESTA软件模型建立软件模型建立2. VASP基本原理简介基本原理简介3. VASP软件基本知识软件基本知识4. 常用关键词使用说明常用关键词使用说明5. 实例解析，实际操作？实例解析，实际操作？主要介绍内容主要介绍内容第3页/共83页2. VASP程序基本原理程序基本原理 VASP是是基于基于赝势平面波基组赝势平面波基组的密度泛函程序，其前身的密度泛函程序，其前身是是CASTEP 1989版本，其基本原理如下：版本，其基本原

2、理如下： 根据根据Bloch定理，对于周期体系，其电子波函数可以写定理，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：为单胞部分和类波部分的乘积： )()(rferirk ii 其中，单胞部分的波函数可以用一组在倒易空间的平面其中，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：波来表示： GrGiGiiecrf,)(第4页/共83页这样，电子波函数可以写为平面波的加和：这样，电子波函数可以写为平面波的加和： GrGkiGkiiecr)(,)(根据密度泛函理论，波函数通过求解根据密度泛函理论，波函数通过求解KohnSham方程来确定：方程来确定： )()()()()(222r

3、rrVrVrVmiiiXCHion i：KohnSham本征值本征值Vion：电子与核之间的作用势：电子与核之间的作用势VH和和VXC：电子的：电子的Hartree势和交换势和交换-相关势相关势 | |) ()(32rdrrrnerVH)()()(rnrnErVXCXC第5页/共83页基于平面波表示的基于平面波表示的KohnSham方程：方程： ,22) () () (|2GGkiiGkiXCHionGGccGGVGGVGGVGkm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阵来求解KS方程，该矩阵的大小由方程，该矩阵的大

4、小由截至能截至能( (cutoff energy) )来决定来决定。第6页/共83页尝试电子密度和尝试波函数尝试电子密度和尝试波函数写出交换相关势表达式写出交换相关势表达式构造哈密顿量构造哈密顿量子空间对角化，优化迭代子空间对角化，优化迭代自由能的表达式自由能的表达式E新电子密度，与尝试电子密度比较新电子密度，与尝试电子密度比较输出结果，写波函数输出结果，写波函数是否程序流程：程序流程： 第7页/共83页 与原子轨道基组相比，平面波基组有如下优点：与原子轨道基组相比，平面波基组有如下优点：无需考虑无需考虑BSSE校正；校正；平面波基函数的具体形式不依赖于核的坐标，这样，一平面波基函数的具体形式

5、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，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；相同的精度；很方便地采用快速傅立叶变换很方便地采用快速傅立叶变换(FFT)技术，使能量、力技术，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；能在方便的空间中进行；1)计算的收敛性和精确性比较容易控制，

6、因为通过截断能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。的选择可以方便控制平面波基组的大小。第8页/共83页 平面波基组方法的不足之处：平面波基组方法的不足之处：所求得的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带来了困难们计算结果的分析带来了困难；考察某些物理量时，例如原子电荷，涉及到积分

7、范围的选考察某些物理量时，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；取，这造成所得物理量的绝对值意义不大；1)有些方法，例如杂化密度泛函方法不易于采用平面波基组有些方法，例如杂化密度泛函方法不易于采用平面波基组方法实现。方法实现。第9页/共83页3. VASP程序基本知识程序基本知识1. VASP程序主要功能：1)能量计算能量计算J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 191第10页/共83页能带结构能带结构DOS2) 电子结构电子结构(能带结构、能带结构、DOS、电荷密度分布、电荷密度分布)第11页/共83页电荷密度分布电荷密度分布J. Phys

8、. Chem. B, 2005, 109, 19270第12页/共83页3) 构型优化构型优化(含过渡态含过渡态)和反应途径和反应途径J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 15454第13页/共83页4) 频率计算和频率计算和HREELS能谱模拟能谱模拟J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 7437第14页/共83页5) STM图像模拟图像模拟Surf. Sci., 2007, 601, 3488第15页/共83页6) UPS能谱图像模拟能谱图像模拟Surf. Sci., 2007, 601, 3488第16页/共83页7) 材料光学性质计算材料光学性质

9、计算8) 其它性质计算，包括功函、力学性质等其它性质计算，包括功函、力学性质等第17页/共83页2 2. 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零维分子体系第18页/共83页Dv: Vacuum thickness (10 A)二维固体表面二维固体表面第19页/共83页说明：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间的距离必须至

10、少710埃以上；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至少710埃以上；埃以上；1)对二维体系，上下两个平板最近邻原子之间的距离必须对二维体系，上下两个平板最近邻原子之间的距离必须至少至少710埃以上；埃以上；第20页/共83页Total energyLength of vector4) 严格意义上，通过考察体系总能量严格意义上，通过考察体系总能量/能量差值对真空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。区大小的收敛情况来确定合理的平移矢量长度。第21页/共83页3. K网格大小的选择：网格大小的选择： 对于一

11、维至三维体系的计算，需涉及对于一维至三维体系的计算，需涉及k点数目的选择，对点数目的选择，对于于K点的确定，它与布里渊区的形状以及对称性有关。点的确定，它与布里渊区的形状以及对称性有关。VASP的的K点输入方法有多种，其中最常用的是直接给定点输入方法有多种，其中最常用的是直接给定K-mesh的大小，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点的坐点的坐标和权重。标和权重。 对于对于K-mesh的确定方法，通常通过考察总能量的确定方法，通常通过考察总能量/能量差的收敛能量差的收敛程度来确定，能量的收敛标准是程度来确定，能量的收敛标准是1

12、meV/atom。 多数情况下，对半导体或绝缘体较小的多数情况下，对半导体或绝缘体较小的K-mesh能量就可以能量就可以收敛，对于导体，一般需要较大的收敛，对于导体，一般需要较大的K-mesh。第22页/共83页第23页/共83页24681012-10.9-10.8-10.7-10.6-10.5-10.4-10.3-10.2Total energy(eV)Size of k-mesh硅体相总能量随硅体相总能量随K-mesh大小的变化情况大小的变化情况第24页/共83页4. Cutoff energy大小的选择：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，截至能的大小直接影响到

13、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。因此，它是平面波计算方法的一个重要参数。 理论上截断能越大计算结果也可靠，但截至能大小决定理论上截断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。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，可选取低的截中等大小的截至

14、能即可，另外动力学模拟时，可选取低的截至能。至能。 第25页/共83页 不同元素在构造其赝势时，有各自的截至能，对于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，截至能的确定与数物理量是足够的。严格意义上，截至能的确定与K-mesh大大小的确定类似，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(即即保证总能量收敛至保证总能量收敛至1meV/atom)。第26页/共83页硅体相总能量随硅体相总能量随cutoff e

15、nergy大小的变化情况大小的变化情况100150200250300-10.80-10.75-10.70-10.65-10.60-10.55Total energy (eV)Cutoff energy (eV)第27页/共83页5. VASP输入和输出文件：输入和输出文件：输入文件输入文件(文件名必需大写文件名必需大写) INCAR : 其内容为关键词，确定了计算参数以及目的；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；型和数目、以及各原子坐标；KPOINTS : K点定义文件

16、，可手动定义和自动产生；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。各原子的赝势定义文件。第28页/共83页主要输出文件主要输出文件 OUTCAR : 最主要的输出文件，包含了所有重要信息；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；输出计算过程的能量迭代信息；CONTCAR: 内容为最新一轮的构型内容为最新一轮的构型(分数坐标，分数坐标，可用于续算可用于续算)；CHGCAR、CHG、PARCHG :用于电荷密度图绘制；用于电荷密度图绘制；WAVECAR : 波函数文件；波函数文件；EIGENVAL: 记录各记录各K点的

17、能量本征值，用于绘制能带图；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构型迭代过程中各轮的构型信息(分数坐标，用于分数坐标，用于 动力学模拟动力学模拟)；DOSCAR : 态密度信息。态密度信息。第29页/共83页POSCAR文件内容说明：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

18、第三个平移矢量的方向) 2(单胞内原子数目以及原子种类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，如果内容为表示所采用的为分数坐标，如果内容为Car，则坐标单位为埃，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 T第30页/共83页surface of mgo(100) (2*2)Mg 1.00

19、000000000000 20 20 (体系中有体系中有2种元素，各自的原子数目分别为种元素，各自的原子数目分别为20，20)Selective dynamicsDirect 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 0.50

20、00000000000000 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 第31页/共83

21、页POTCAR文件内容说明：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：赝势合并在一起即可，但需注意到：1) 赝势类型：赝势类型：US型赝势型赝势LDAGGAPW91PBEPAW型赝势型赝势GGAPW91PBELDAUS型赝势所需截至能型赝势所需截至能较小，计算速度快，较小，计算速度快，PAW赝势截至能通常赝势截至能通常较大，而且考虑的电子较大，而且考虑的电子数多，计算慢，但精确数多，计算慢，但精确度高。度高。第32页/共83页2) POTCAT中各原子赝势定义的顺序必需与中各原子赝势定义的顺序

22、必需与POSCAR中相同：中相同：surface of mgo(100) (2*2)Mg 1.00000000000000 20 20Selective dynamicsDirect3) 对各原子的赝势参数，我们最关心的是截至能以及电子数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的泛函类型必需与的泛函类型必需与INCAR中中GGA关键词定义的关键词定义的 类型一致；类型一致；5) 使用使用zcat命令产生和合并命令产生和合并POTCAR文件。文件。第33页/共83页对应于中等大小的截至能对应于中等大小的截至能(构型优化时采用构型优化时采用)对应于低的截至能对应于低的

23、截至能(动力学模拟时采用动力学模拟时采用)构造该赝势时，所采用的泛函类型，构造该赝势时，所采用的泛函类型，这里为这里为PW91电子数目和组态电子数目和组态第34页/共83页KPOINTS文件内容说明：文件内容说明： 一般有两种定义一般有两种定义K点的方法：点的方法：1) 通过定义通过定义K-mesh大小，由程序自动产生各大小，由程序自动产生各K点：点：Automatic mesh (title)0 (为为0时，表示自动产生时，表示自动产生K点点)M (表示采用表示采用Monkhorst-Pack方法生成方法生成K点坐标点坐标)5 5 5(对应于对应于5x5x5网格网格)0 0 0(原点平移大小

24、原点平移大小)第35页/共83页2)手动定义各手动定义各K点的坐标点的坐标(一般仅在计算能带结构时使用一般仅在计算能带结构时使用)： k-points for MgO(100) (title) 31 (K点数目点数目)Rec (字母字母R打头表示为倒易空间坐标，否则为实空间的坐标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 (各各K点的坐标以及权重点的坐标以及权重)第36页/共83页6. VASP安装和运行：安装和运行： (1) VASP程序安装：程序安装： a. 设置编译环境：安装设置编译环境：安装Fortran编译器，常用为编译器，常用为IFC b. 对于并

25、行版本对于并行版本vasp的编译，还需安装的编译，还需安装MPICH c. 编译编译vasp自带的库文件自带的库文件 d. 对对makefile进行修改，包括进行修改，包括BLAS和和Lapack库文件所在库文件所在 目录，一般可采用目录，一般可采用IFC所带的数学库所带的数学库 e. 运行运行make命令进行编译命令进行编译 (2) 创建输入文件，包括创建输入文件，包括INCAR，KPOINTS，POSCAR 和和POTCAR第37页/共83页 (3) 运行运行vasp： 单机版：单机版：/bin/vasp.4.5-ifc-mk-sp vasp.out &版本号版本号编译环境编译环境

26、多个多个K点点Single process并行版本：并行版本：mpirun np 4 machinefile ./hosts /bin/vasp.4.5-ifc-mk-mp & vasp.out &CPU数目数目存放要并行运算的机器名存放要并行运算的机器名或者或者IP第38页/共83页常用关键词使用说明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部分参考清华大学物理系苏长荣编写的VASPVASP安装和使用说明安装和使用说明) )(1)(2)第39页/共83页一般单胞尺寸大时，选实空间，小单胞选取倒易空间。一般单胞尺寸大时，选实空间，小单胞选取倒易空间。EDIFF=

27、1e-4ENCUT=数值数值用户手动定义截至能，如果没有，则由用户手动定义截至能，如果没有，则由PREC选项确定。选项确定。(3)(4)(5)(6)第40页/共83页EDIFFG=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。力作为收敛标准。ALGO=38|48该关键词确定能量计算迭代方法该关键词确定能量计算迭代方法38-采用采用Davidson优化方法；优化方法；(可靠，但速度慢可靠，但速度慢)48-采用采用RMM-DIIS算法；算法；(常用，速度快常用，速度快)ISYM=0|1|2该关键词确定能量和构

28、型优化时是否使用对称性该关键词确定能量和构型优化时是否使用对称性(将影响到将影响到K点数目和计算量大小点数目和计算量大小)0-不使用对称性；不使用对称性；1-采用对称性；采用对称性；2-用于用于PAW型赝势；型赝势；(7)(8)第41页/共83页NELM=整数整数该关键词确定能量自洽场最大迭代轮数，缺省为该关键词确定能量自洽场最大迭代轮数，缺省为60轮；轮；NELMIN=整数整数 在构型优化中，计算每个构象能量时最少在构型优化中，计算每个构象能量时最少迭代轮数，一般为迭代轮数，一般为34，以保证能量和力的稳定性；，以保证能量和力的稳定性；定义定义DFT泛函类型，注意要与泛函类型，注意要与POT

29、CAR中的赝势类型一致中的赝势类型一致。(9)(10)ISPIN=1|21-非自旋极化计算非自旋极化计算(缺省缺省)2-自旋极化计算自旋极化计算, 将给出体系磁矩大小将给出体系磁矩大小(对含有过渡金属原对含有过渡金属原子体系，一般均要采用自旋极化方法子体系，一般均要采用自旋极化方法)。(11)第42页/共83页(12)第43页/共83页(13)第44页/共83页 ISMEAR选择：选择：1) 对半导体或绝缘体选取对半导体或绝缘体选取-5，如果单胞较大时，或者所选取，如果单胞较大时，或者所选取k 点数目少时，用点数目少时，用0；2) 对导体，通常用对导体，通常用0； SIGMA取值：取值： SI

30、GMA取值的原则是使得计算得到的取值的原则是使得计算得到的TS项项(OUTCAR中中)，分摊到每个原子上时小于分摊到每个原子上时小于1meV，否则得到的总能量不准确，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。对导体尤其要注意该参数的选择。第45页/共83页以下为以下为构型优化构型优化所用关键词：所用关键词：NSW=整数整数 构型优化的最大轮数构型优化的最大轮数IBRION = -1|0|1|2 构型优化方法：构型优化方法：-1-构型不变更；构型不变更；0-分子动力学模拟；分子动力学模拟；1-采用准牛顿方法确定新的构型采用准牛顿方法确定新的构型(当初始构型较合理时使用当初始构型较合理

31、时使用)；2-采用采用CG方法确定构型方法确定构型(当初始构型离平衡位置较远时使用当初始构型离平衡位置较远时使用)。POTIM=数值数值 控制构型优化步长，缺省为，对动力学模拟则为时控制构型优化步长，缺省为，对动力学模拟则为时间步长间步长(单位为单位为fs)(14)第46页/共83页输出控制关键词：输出控制关键词： LCHARG = .FALSE. (输出电荷密度？输出电荷密度？) LWAVE = .FALSE. (输出波函数？输出波函数？) LVTOT = .FALSE.(输出静电势，求功函时使用输出静电势，求功函时使用)其他关键词：其他关键词： NPAR = 8 (CPU数目，并行计算时使

32、用数目，并行计算时使用) LPLANE = .TRUE.(与并行算法有关与并行算法有关)(15)(16)第47页/共83页第48页/共83页第49页/共83页第50页/共83页第51页/共83页第52页/共83页第53页/共83页第54页/共83页第55页/共83页第56页/共83页第57页/共83页第58页/共83页第59页/共83页第60页/共83页第61页/共83页第62页/共83页基本任务 计算电子态密度,能带,电荷密度 优化晶体参数 内部自由度弛豫 结构弛豫第63页/共83页示例1: 用VASP求硅的电子态密度和能带分如下几步: (1). 生成4个输入文件: POSCAR POTCA

33、R INCAR KPOINTS(2). 优化晶格参数,求出能量最低所对应的晶格参数(3). 固定晶格参数, 求出能态密度(DOSCAR), 确定费米能量(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EIGENVAL(5). 提取数据,画图 第64页/共83页(1). 生成4个输入文件: POSCAR POTCAR INCAR KPOINTS System =diamond Si ISTART = 0 NELM= 200 EDIFF = 1E-04 NPAR=4 NSW=1 IBRION = 2 ISIF=2 ISYM = 1 Diamond Si0

34、.5 0.5 0.0 2Direct K-Points 0Monkhorst Pack 21 21 21 0 0 0VASP提供各种POTCAR第65页/共83页(2). 优化晶格参数,求出能量最低所对应的晶格参数第66页/共83页运行VASP程序, 查看输出文件:第67页/共83页(3). 固定晶格参数, 求出能态密度(DOSCAR), 确定费米能量找到平衡晶格常数后, 把该值写入到POSCAR文件中,并增加K点数 作一个离子步自洽计算(NSW = 0, IBRION = -1) .(ii) 从DOSCAR输出文件中读出态密度和费米能级,费米 费米能级也可从OUTCAR中读出.第68页/共8

35、3页第69页/共83页(4). 做非自洽计算, 求电子结构 修改INCAR文件: 将参数ICHARG设为 11 修改KPOINTS输入文件 运行VASP程序,从输出文件EIGENVAL中提出电子结构第70页/共83页第71页/共83页画出电荷密度 VASP输出电荷密度文件CHGCAR 采用免费程序LEV00处理数据文件CHGCAR-3-2-10123-3-2-101( )()00.070.140.210.280.340.410.480.55第72页/共83页示例2: 用VASP求Mg的电子态密度和能带分如下几步: (1). 生成4个输入文件: POSCAR POTCAR INCAR KPOINTS(2). 优化晶格参数,求出能量最低所对应的晶格参数(3). 固定晶格参数, 求出能态密度(DOSCAR), 确定费米能量(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EIGENVAL(5). 提取数据,画图 第73页/共83页(1). 生成4个输入文件: POSCAR POTCAR INCAR KPOINTS