1. 從“安裝”到“跑通”一個(gè)VASP新手的必經(jīng)之路如果你剛拿到VASP的安裝包或者正對著Vasp 6.4.0的編譯文檔發(fā)愁心里盤算著怎么把VTSTVienna Ab-initio Simulation Package的過渡態(tài)工具給集成進(jìn)去那你來對地方了。這篇筆記不是什么官方手冊的復(fù)讀機(jī)而是我作為一個(gè)從零開始、踩過幾乎所有能踩的坑的“過來人”把學(xué)習(xí)VASP過程中那些文檔里不會寫、但實(shí)操中又繞不開的細(xì)節(jié)掰開揉碎了講給你聽。VASP作為材料模擬領(lǐng)域的標(biāo)桿軟件其強(qiáng)大和復(fù)雜是成正比的。很多人卡在第一步——安裝和運(yùn)行一個(gè)最簡單的結(jié)構(gòu)優(yōu)化任務(wù)上就耗盡了熱情。我的目標(biāo)很簡單幫你把這條路走通并且告訴你路上有哪些暗坑讓你不僅能“跑起來”更能理解“為什么這么跑”。很多人一上來就直奔高深的DFPT密度泛函微擾理論算聲子譜或者研究復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu)但我的經(jīng)驗(yàn)是地基不牢地動(dòng)山搖。一個(gè)連POTCAR贗勢文件都選不對、INCAR輸入控制文件參數(shù)都設(shè)不明白的計(jì)算后面的一切都是空中樓閣。所以這篇筆記會從最務(wù)實(shí)的起點(diǎn)開始如何搭建一個(gè)穩(wěn)定可用的VASP計(jì)算環(huán)境如何完成你的第一個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算并正確解讀結(jié)果。在這個(gè)過程中我會穿插解釋那些關(guān)鍵文件POSCAR, INCAR, POTCAR, KPOINTS背后的邏輯而不是只扔給你幾行命令。當(dāng)你跟著走完這一遍你手里擁有的將不是一個(gè)黑箱工具而是一個(gè)你理解其運(yùn)行機(jī)制的研究伙伴。2. 環(huán)境構(gòu)筑編譯安裝中的“魔鬼細(xì)節(jié)”拿到VASP安裝包無論是官網(wǎng)授權(quán)的還是預(yù)編譯的只是萬里長征第一步。對于絕大多數(shù)需要自定義功能比如集成VTST的研究者來說從源碼編譯是繞不開的。這個(gè)過程看似是一系列make命令的堆砌但每一個(gè)環(huán)節(jié)的選擇都直接影響后續(xù)計(jì)算的穩(wěn)定性和效率。2.1 編譯器的選擇與數(shù)學(xué)庫的匹配編譯VASP首當(dāng)其沖的是選擇編譯器套件和與之匹配的數(shù)學(xué)庫BLAS, LAPACK, ScaLAPACK, FFTW。Intel的icc/ifort搭配Intel MKL庫曾經(jīng)是性能最優(yōu)、兼容性最好的“黃金組合”因?yàn)镸KL對這些數(shù)學(xué)庫做了深度優(yōu)化且接口統(tǒng)一。然而隨著Intel編譯器的許可證政策變化和開源生態(tài)的繁榮GNU編譯器gcc/gfortran搭配開源數(shù)學(xué)庫如OpenBLAS的方案越來越流行。這里有一個(gè)關(guān)鍵細(xì)節(jié)數(shù)學(xué)庫的接口必須一致。如果你用Intel MKL它提供了完整的BLAS、LAPACK、ScaLAPACK和FFTW3實(shí)現(xiàn)你只需要在makefile.include里正確指向MKL的路徑即可。但如果你用OpenBLASScaLAPACKFFTW3的組合你必須確保這些庫是用同一套編譯器比如都是gfortran編譯的并且ScaLAPACK是基于你選擇的BLAS/LAPACK如OpenBLAS編譯的。混合使用不同編譯器生成的庫是鏈接錯(cuò)誤的常見根源。我的實(shí)操心得是對于初學(xué)者如果計(jì)算資源不是極端緊張優(yōu)先使用Intel MKL方案。它的優(yōu)勢在于“一站式”解決減少了依賴管理的麻煩且在不同體系結(jié)構(gòu)CPU上的性能表現(xiàn)更可預(yù)測。你可以在makefile.include中重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵變量# 使用Intel編譯器和MKL的典型配置片段 CPP_OPTIONS -DMPI -DHOST\LinuxIFC\ -DIFC -Dkind8 -DNGZhalf ... FC mpiifort # Intel MPI Fortran編譯器 FCL mpiifort MKLROOT /path/to/intel/mkl # 指向你的MKL安裝根目錄 BLAS -L$(MKLROOT)/lib/intel64 -lmkl_blas95_lp64 ... LAPACK -L$(MKLROOT)/lib/intel64 -lmkl_lapack95_lp64 ...注意VASP的makefile模板makefile.include有幾個(gè)不同版本針對Intel編譯器、GNU編譯器、PGI編譯器。務(wù)必選擇與你環(huán)境匹配的那個(gè)模板作為起點(diǎn)在其基礎(chǔ)上修改而不是自己從頭寫。2.2 集成VTST為過渡態(tài)計(jì)算鋪路VTSTVienna Transition State Tools是一套由Graeme Henkelman課題組開發(fā)的、用于VASP的過渡態(tài)搜索和反應(yīng)路徑分析的腳本和補(bǔ)丁。很多研究催化、擴(kuò)散、相變的同學(xué)都需要它。從VASP 6.4.0開始集成VTST變得相對規(guī)范。核心步驟與避坑點(diǎn)獲取正確的版本確保你下載的VTST腳本版本與你的VASP版本兼容。通常VTST官網(wǎng)會注明其支持的VASP版本范圍。不匹配的版本可能導(dǎo)致編譯失敗或運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)不可預(yù)知的錯(cuò)誤。打補(bǔ)丁Patching這是最關(guān)鍵的一步。VTST通過修改VASP的源代碼來增加其功能。你需要使用patch命令將VTST提供的補(bǔ)丁文件通常是.patch或.diff后綴應(yīng)用到VASP源碼目錄。cd /path/to/your/vasp/source/code patch -p0 /path/to/vtstcode/vtstpatch.6.4.0 # 示例具體補(bǔ)丁文件名可能不同避坑提示執(zhí)行patch命令后務(wù)必仔細(xì)檢查終端的輸出。它應(yīng)該列出成功打補(bǔ)丁的文件。如果出現(xiàn)大量“FAILED”或“Hunk #x FAILED”的提示說明你的VASP源碼版本與補(bǔ)丁不匹配。不要強(qiáng)行繼續(xù)編譯否則編譯出的VASP二進(jìn)制文件可能不穩(wěn)定。此時(shí)你應(yīng)該尋找更匹配的VTST版本或VASP源碼版本。修改makefile.include打補(bǔ)丁后VTST的功能需要通過編譯選項(xiàng)來激活。你需要在makefile.include中的CPP_OPTIONS行添加-Dtbdyn可能還有其他相關(guān)定義具體參考VTST的安裝說明。CPP_OPTIONS ... -DMPI -Dkind8 -Dtbdyn ...編譯與驗(yàn)證完成上述修改后執(zhí)行make all或make std gam ncl根據(jù)你需要編譯的版本進(jìn)行編譯。編譯成功后一個(gè)簡單的驗(yàn)證方法是運(yùn)行vasp_std --version或直接運(yùn)行一個(gè)極小的測試算例檢查是否有與VTST相關(guān)的錯(cuò)誤信息。更正式的驗(yàn)證是運(yùn)行VTST自帶的測試算例。2.3 并行環(huán)境配置MPI的選擇與綁定VASP是一個(gè)支持MPI并行的程序這意味著它可以利用多個(gè)CPU核心甚至多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。常見的MPI實(shí)現(xiàn)有OpenMPI、MPICH和Intel MPI。選擇Intel MPI通常與Intel編譯器套件集成度最好。OpenMPI則更通用與GNU編譯器搭配常見。對于集群環(huán)境請遵循系統(tǒng)管理員的建議因?yàn)榧和ǔＲ呀?jīng)優(yōu)化配置了某個(gè)特定的MPI庫。進(jìn)程綁定Process Binding/Pinning這是一個(gè)極易被忽略但對性能影響巨大的細(xì)節(jié)?，F(xiàn)代CPU都有NUMA非統(tǒng)一內(nèi)存訪問架構(gòu)不正確的進(jìn)程綁定會導(dǎo)致進(jìn)程在CPU核心間跳躍增加內(nèi)存訪問延遲嚴(yán)重降低性能。對于OpenMPI可以在運(yùn)行命令時(shí)添加選項(xiàng)mpirun --bind-to core --map-by core -np N ./vasp_std。--bind-to core將每個(gè)MPI進(jìn)程綁定到一個(gè)物理核心--map-by core按核心映射進(jìn)程。對于Intel MPI可以使用mpiexec -genv I_MPI_PIN1 -genv I_MPI_PIN_DOMAINcore -np N ./vasp_std。如何確定N進(jìn)程數(shù)一個(gè)常見的起點(diǎn)是設(shè)置為計(jì)算節(jié)點(diǎn)上物理核心的數(shù)量。對于純MPI并行沒有打開OpenMP進(jìn)程數(shù)不宜超過物理核心總數(shù)否則會引發(fā)資源競爭。3. 第一個(gè)計(jì)算任務(wù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的完整閉環(huán)環(huán)境搭好了我們終于可以開始真正的計(jì)算。結(jié)構(gòu)優(yōu)化幾何弛豫是幾乎所有VASP計(jì)算的第一步目的是找到原子體系在給定條件下的穩(wěn)定構(gòu)型能量最低點(diǎn)。3.1 輸入文件“四件套”的深度解讀你需要準(zhǔn)備四個(gè)核心輸入文件POSCAR,INCAR,POTCAR,KPOINTS。3.1.1 POSCAR定義你的“世界”POSCAR文件定義了晶胞的矢量晶格常數(shù)和原子在晶胞中的初始位置。My First Calculation 1.0 # 縮放因子 5.0 0.0 0.0 # 晶格矢量 a1 0.0 5.0 0.0 # 晶格矢量 a2 0.0 0.0 15.0 # 晶格矢量 a3 Si O # 元素種類 2 4 # 各元素原子數(shù)量 Selective dynamics # 可選啟用選擇性動(dòng)力學(xué) Direct # 坐標(biāo)格式分?jǐn)?shù)坐標(biāo) 0.0 0.0 0.0 F F F # Si原子1坐標(biāo)(0,0,0)最后三個(gè)F表示x,y,z方向固定不動(dòng) 0.3 0.3 0.2 T T T # Si原子2坐標(biāo)(0.3,0.3,0.2)T表示允許弛豫 0.5 0.5 0.5 T T T # O原子1 ... (更多原子坐標(biāo))縮放因子通常設(shè)為1.0此時(shí)下面的晶格矢量以?為單位。如果設(shè)為其他值則晶格矢量會按比例縮放。坐標(biāo)格式Direct分?jǐn)?shù)坐標(biāo)相對于晶格矢量或Cartesian笛卡爾坐標(biāo)單位?。我強(qiáng)烈建議在晶體計(jì)算中使用Direct因?yàn)樗浑S晶胞形狀改變而改變原子相對位置更直觀。Selective dynamics這是一個(gè)非常實(shí)用的功能。你可以指定哪些原子或原子的哪些方向在優(yōu)化中固定哪些放松。比如在表面計(jì)算中你通常希望固定底部的幾層原子來模擬體相只弛豫表面的原子。3.1.2 POTCAR描述原子核心與價(jià)電子的“身份證”POTCAR是贗勢文件它描述了原子核和內(nèi)層電子對價(jià)電子的等效作用贗勢以及價(jià)電子的波函數(shù)。VASP為每種元素提供了多種贗勢如PBE、LDA、PW91泛函對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、軟、硬版本。如何生成你需要從VASP贗勢庫中按照POSCAR中元素的順序?qū)?yīng)元素的POTCAR文件用cat命令拼接起來。cd /path/to/potential/directory cat PAW_PBE/Si/POTCAR PAW_PBE/O/POTCAR POTCAR關(guān)鍵選擇務(wù)必保證POTCAR所用的泛函如PBE與你INCAR中設(shè)置的泛函GGA PE一致混合不同泛函的贗勢和計(jì)算設(shè)置是嚴(yán)重錯(cuò)誤。檢查生成后用grep TITEL POTCAR和grep ENMAX POTCAR命令檢查包含的元素和每個(gè)贗勢的截?cái)嗄蹺NMAX。計(jì)算中使用的截?cái)嗄蹺NCUT應(yīng)不小于所有元素ENMAX中的最大值。3.1.3 INCAR計(jì)算任務(wù)的“大腦”INCAR是控制VASP所有計(jì)算參數(shù)的文件。對于第一個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化一個(gè)最小但可靠的設(shè)置如下SYSTEM Si-O System Relaxation # 任務(wù)描述會輸出在文件頭 # 電子步自洽計(jì)算控制 ISTART 0 # 從頭開始計(jì)算0: 新任務(wù), 1: 續(xù)算 ICHARG 2 # 初始電荷密度2: 從原子電荷疊加開始 PREC Normal # 精度Normal, Accurate, Low. 優(yōu)化用Normal足夠。 ENCUT 520 # 平面波截?cái)嗄?(eV)必須POTCAR中的ENMAX EDIFF 1E-6 # 電子步收斂標(biāo)準(zhǔn)能量變化單位eV NELM 100 # 電子自洽最大步數(shù) ALGO Normal # 電子最小化算法Normal適用于大部分情況 # 離子弛豫結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制 IBRION 2 # 離子弛豫算法2 (CG共軛梯度法)適合大部分優(yōu)化 ISIF 3 # 計(jì)算應(yīng)力和優(yōu)化晶胞3: 優(yōu)化晶胞形狀和體積2: 只優(yōu)化原子位置固定晶胞 NSW 100 # 離子弛豫最大步數(shù) EDIFFG -0.01 # 離子弛豫收斂標(biāo)準(zhǔn) (eV/?)。負(fù)值表示力收斂-0.01表示力小于0.01 eV/? ISYM 0 # 關(guān)閉對稱性在弛豫過程中更安全ENCUT的選擇這是一個(gè)關(guān)鍵的精度與效率權(quán)衡參數(shù)。通常取所有元素ENMAX最大值的1.3倍左右是一個(gè)兼顧精度和速度的經(jīng)驗(yàn)值。上例中如果Si和O的ENMAX分別是400 eV和500 eV那么ENCUT1.3*500650 eV是合理的。初次測試可以用500-550 eV。EDIFFG這是決定優(yōu)化何時(shí)停止的關(guān)鍵。-0.01 eV/?是一個(gè)中等精度的標(biāo)準(zhǔn)。對于非常精確的優(yōu)化可以設(shè)為-0.001但計(jì)算時(shí)間會顯著增加。ISIF如果你不確定晶胞是否穩(wěn)定或者想優(yōu)化晶格常數(shù)用ISIF3。如果你知道晶胞是固定的比如在已知實(shí)驗(yàn)晶胞參數(shù)下優(yōu)化原子位置用ISIF2。3.1.4 KPOINTS動(dòng)量空間的采樣網(wǎng)格KPOINTS文件定義了在倒易空間k空間中采樣的點(diǎn)用于計(jì)算布里淵區(qū)積分。對于初學(xué)者最簡單的方法是使用Monkhorst-Pack網(wǎng)格自動(dòng)生成。k-points 0 # 0 表示自動(dòng)生成Monkhorst-Pack網(wǎng)格 Monkhorst-Pack # 網(wǎng)格類型 4 4 1 # 沿a1, a2, a3方向的k點(diǎn)數(shù)量 0 0 0 # 偏移量 (通常為0 0 0)網(wǎng)格密度如何選這是一個(gè)需要測試收斂性測試的參數(shù)。對于體相材料起始點(diǎn)可以是4 4 4或6 6 6。對于表面或一維體系在非周期方向真空層方向設(shè)置為1。例如對于上面POSCAR中c方向15 ?有真空層的表面模型4 4 1是合理的起點(diǎn)。Gamma-centered 網(wǎng)格對于具有中心對稱性的體系有時(shí)使用Gamma-centered網(wǎng)格在KPOINTS文件中第二行寫Gamma效率更高因?yàn)樗薌amma點(diǎn)k0。3.2 提交計(jì)算與監(jiān)控將四個(gè)輸入文件放在同一目錄下使用MPI命令提交計(jì)算。例如在本地工作站使用4個(gè)核心mpirun -np 4 /path/to/your/vasp/bin/vasp_std vasp.out 計(jì)算開始后不要干等。學(xué)會監(jiān)控關(guān)鍵輸出文件OUTCAR這是最重要的輸出文件包含所有計(jì)算的詳細(xì)信息。用tail -f OUTCAR可以實(shí)時(shí)查看末尾輸出。重點(diǎn)關(guān)注其中搜索reached required accuracy或EDIFF/EDIFFG的收斂信息。OSZICAR這個(gè)文件更簡潔記錄了每一步離子弛豫的步數(shù)、自由能、能量變化和力的大小。用tail OSZICAR可以快速查看優(yōu)化進(jìn)程。N E dE d eps ncg rms rms(c) DAV: 1 -0.123456789E03 -0.12346E03 -0.12346E03 48 0.123E02 ... 1 F -.123456789E03 E0 -.123456789E03 d E 0.000E00 mag 0.0000 2 F -.123456790E03 E0 -.123456790E03 d E -.100E-07 mag 0.0000看最后幾步的d E能量變化是否趨于0以及F自由能是否收斂。vasp.out標(biāo)準(zhǔn)輸出重定向了屏幕輸出的文件有時(shí)會有額外的警告或錯(cuò)誤信息。3.3 結(jié)果解讀判斷優(yōu)化是否成功計(jì)算結(jié)束后如何判斷優(yōu)化是否成功檢查收斂標(biāo)志在OUTCAR文件末尾搜索以下關(guān)鍵詞reached required accuracy - stopping structural energy minimisation這表明離子弛豫結(jié)構(gòu)優(yōu)化已成功收斂。Voluntary context switches:通常出現(xiàn)在最后表示程序正常結(jié)束。如果看到WARNING: Sub-Space-Matrix is not hermitian等大量警告或ERROR字樣則計(jì)算可能有問題。查看最終結(jié)構(gòu)和能量最終結(jié)構(gòu)CONTCAR文件是優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)格式同POSCAR。這是最重要的輸出之一。你應(yīng)該用可視化軟件如VESTA打開它直觀地看看原子位置是否發(fā)生了合理的變化。最終能量在OSZICAR文件的最后一行找到F后面的數(shù)值這就是體系最終的絕對自由能單位eV。這個(gè)值本身意義不大但用于比較不同構(gòu)型的相對穩(wěn)定性能量差。分析力與位移在OUTCAR中搜索POSITION和FORCE相關(guān)的部分可以看到每個(gè)原子上的力forces在優(yōu)化后的值。一個(gè)成功的優(yōu)化所有原子上的力都應(yīng)該小于EDIFFG設(shè)定的值例如0.01 eV/?。4. 進(jìn)階第一步聲子譜計(jì)算與DFPT初探當(dāng)你成功完成幾次結(jié)構(gòu)優(yōu)化后可能會想探索更豐富的性質(zhì)比如材料的振動(dòng)性質(zhì)——聲子譜。VASP中計(jì)算聲子譜的主流方法是密度泛函微擾理論DFPT它比傳統(tǒng)的有限位移法超胞法更高效尤其對于大體系。4.1 DFPT計(jì)算聲子譜的邏輯鏈條DFPT的核心思想不是通過直接移動(dòng)原子來計(jì)算力常數(shù)而是通過計(jì)算電子密度對原子位移的線性響應(yīng)微擾來得到力常數(shù)。在VASP中這通常分為兩步自洽計(jì)算SCF在優(yōu)化好的平衡結(jié)構(gòu)CONTCAR上進(jìn)行一次高精度的電子自洽場計(jì)算得到精確的基態(tài)電荷密度和波函數(shù)。這一步的INCAR設(shè)置需要較高的精度因?yàn)樗呛罄m(xù)微擾計(jì)算的基礎(chǔ)。# INCAR.scf (用于自洽計(jì)算) SYSTEM Phonon SCF ISTART 0 ICHARG 2 PREC Accurate # 使用高精度 ENCUT 600 # 適當(dāng)提高截?cái)嗄?EDIFF 1E-8 # 嚴(yán)格的電子收斂標(biāo)準(zhǔn) IBRION -1 # 不進(jìn)行離子弛豫 NSW 0 # 離子步數(shù)為0 LCHARG .TRUE. # 輸出電荷密度CHGCAR LWAVE .TRUE. # 輸出波函數(shù)WAVECAR運(yùn)行vasp_std得到CHGCAR和WAVECAR。DFPT力常數(shù)計(jì)算這是核心步驟。VASP通過IBRION 8來觸發(fā)DFPT力常數(shù)計(jì)算。你需要提供一個(gè)q-points文件通常命名為KPOINTS.phon或qpoints來指定計(jì)算力常數(shù)的q點(diǎn)波矢。qpoints文件示例計(jì)算Gamma點(diǎn)的力常數(shù)Gamma-point 1 # 1個(gè)q點(diǎn) reciprocal # 分?jǐn)?shù)坐標(biāo) 0.0 0.0 0.0 1.0 # q點(diǎn)坐標(biāo)和權(quán)重對應(yīng)的INCAR.dfptSYSTEM DFPT Force Constants ICHARG 1 # 從之前SCF的CHGCAR讀入電荷密度 PREC Accurate ENCUT 600 EDIFF 1E-8 IBRION 8 # 使用DFPT計(jì)算力常數(shù) NSW 1 # 對于IBRION8NSW被忽略但需要設(shè)置一個(gè)非零值 LPEAD .FALSE. # 通常設(shè)為.FALSE.除非處理電場微擾 LEPSILON .TRUE. # 同時(shí)計(jì)算介電常數(shù)和玻恩有效電荷可選但推薦 # 重要添加以下行以輸出力常數(shù)信息 LPHON_DISP .TRUE. # 輸出位移信息用于后續(xù)處理 LPHON_WRITE .TRUE. # 將力常數(shù)寫入文件運(yùn)行vasp_std。計(jì)算完成后會生成OUTCAR和一系列包含力常數(shù)信息的文件如vasprun.xml。4.2 后處理從力常數(shù)到聲子譜VASP的DFPT計(jì)算本身不直接畫出聲子譜它輸出的是力常數(shù)。你需要用后處理工具來生成沿著布里淵區(qū)高對稱路徑的聲子色散關(guān)系。使用phonopy這是目前最流行、最強(qiáng)大的聲子后處理工具。你需要將VASP計(jì)算得到的力常數(shù)信息通常從vasprun.xml中提取提供給phonopy。首先用優(yōu)化好的CONTCAR生成phonopy所需的初始輸入文件如phonopy_disp.yaml和超胞的POSCAR文件。然后為超胞的每個(gè)位移在DFPT中這對應(yīng)于每個(gè)q點(diǎn)運(yùn)行VASP計(jì)算實(shí)際上DFPT一步就完成了所有q點(diǎn)的計(jì)算但phonopy需要按照其約定的格式來收集數(shù)據(jù)。關(guān)鍵點(diǎn)對于DFPT計(jì)算phonopy有一個(gè)特定的接口。你需要使用phonopy --fc vasprun.xml這樣的命令來直接從VASP的DFPT輸出中讀取力常數(shù)而不是運(yùn)行多個(gè)有限位移的計(jì)算。最后使用phonopy生成聲子譜數(shù)據(jù)文件如band.yaml并用繪圖工具如phonopy自帶的繪圖腳本或gnuplot,matplotlib畫出圖像。解讀聲子譜虛頻Imaginary Frequency在聲子譜圖中頻率通常以ω表示單位可能是THz或cm?1。如果某個(gè)聲子模式的頻率為負(fù)值或在圖中顯示在零線以下這就是“虛頻”。虛頻通常表示你優(yōu)化的結(jié)構(gòu)可能不是真正的能量極小點(diǎn)而是鞍點(diǎn)或過渡態(tài)。需要重新檢查結(jié)構(gòu)優(yōu)化是否充分或者初始結(jié)構(gòu)是否合理。聲學(xué)支與光學(xué)支在Gamma點(diǎn)q0三條趨于零的線是聲學(xué)支對應(yīng)整體平移。其他的是光學(xué)支代表原子間的相對振動(dòng)。熱力學(xué)性質(zhì)通過聲子態(tài)密度可以進(jìn)一步計(jì)算體系的自由能、熵、熱容等熱力學(xué)性質(zhì)這是聲子計(jì)算的重要應(yīng)用。4.3 DFPT計(jì)算中的常見問題與排查計(jì)算不收斂DFPT計(jì)算對SCF的收斂性要求極高。如果SCF計(jì)算沒有嚴(yán)格收斂DFPT步驟很容易發(fā)散。確保EDIFF設(shè)置得很小如1E-8并檢查OUTCAR中電子步是否真正收斂。內(nèi)存消耗大DFPT計(jì)算尤其是對于大體系或許多q點(diǎn)內(nèi)存消耗會比普通SCF計(jì)算大很多。如果計(jì)算中途因內(nèi)存不足崩潰需要考慮在更大內(nèi)存的節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行或嘗試減少同時(shí)計(jì)算的q點(diǎn)數(shù)量通過分批次計(jì)算。IBRION8報(bào)錯(cuò)常見的錯(cuò)誤是“ERROR: the Hamiltonian or the overlap matrix is wrong”。這通常與PREC設(shè)置、贗勢或WAVECAR文件有關(guān)。確保SCF和DFPT步驟使用相同的PREC推薦Accurate和ENCUT。使用的贗勢是標(biāo)準(zhǔn)且適用于DFPT的通常PBE贗勢沒問題。從SCF到DFPT不要改變KPOINTS文件k點(diǎn)網(wǎng)格。嘗試設(shè)置LREAL .FALSE.在INCAR中因?yàn)閷?shí)空間投影有時(shí)在DFPT中會引入數(shù)值不穩(wěn)定性。5. 效率與精度權(quán)衡參數(shù)設(shè)置的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)VASP計(jì)算永遠(yuǎn)在效率快和精度準(zhǔn)之間做權(quán)衡。參數(shù)設(shè)置沒有銀彈但有一些經(jīng)驗(yàn)法則可以幫你快速找到合理的起點(diǎn)避免無謂的試錯(cuò)。5.1 截?cái)嗄蹺NCUT與k點(diǎn)網(wǎng)格KPOINTS的收斂性測試這是兩個(gè)最影響計(jì)算精度和時(shí)間的參數(shù)。做收斂性測試是嚴(yán)謹(jǐn)研究的必備步驟。ENCUT收斂性測試固定一個(gè)較密的k點(diǎn)網(wǎng)格比如8 8 8。逐步增加ENCUT例如從POTCAR中最大ENMAX的1.0倍到1.5倍步長50 eV。對每個(gè)ENCUT運(yùn)行單點(diǎn)能計(jì)算NSW0, IBRION-1。繪制體系總能量隨ENCUT變化的曲線。能量會先快速下降然后趨于平緩。選擇能量變化小于1 meV/atom對應(yīng)的ENCUT作為計(jì)算值。KPOINTS收斂性測試固定一個(gè)足夠大的ENCUT由上一步確定。逐步增加k點(diǎn)網(wǎng)格密度例如從2 2 2到6 6 6。同樣運(yùn)行單點(diǎn)能計(jì)算繪制能量隨k點(diǎn)數(shù)量變化的曲線。選擇能量變化收斂如 1 meV/atom的網(wǎng)格。個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對于常見的半導(dǎo)體、金屬氧化物ENCUT取最大ENMAX的1.3倍k點(diǎn)網(wǎng)格密度保證每個(gè)方向的間距約0.04 ??1即k-spacing 2π * (1/a1 1/a2 1/a3)/N其中N是k點(diǎn)數(shù)通常能提供一個(gè)很好的起點(diǎn)。對于能帶計(jì)算或涉及激發(fā)態(tài)的性質(zhì)可能需要更密的k點(diǎn)。5.2 電子步收斂加速技巧電子自洽場SCF循環(huán)不收斂是新手常遇到的問題。除了調(diào)小EDIFF還可以嘗試ALGO算法ALGO Normal阻塞Davidson是默認(rèn)且穩(wěn)健的。對于金屬體系A(chǔ)LGO Fast或ALGO Very Fast使用RMM-DIIS算法可能收斂更快但有時(shí)不穩(wěn)定。如果遇到振蕩可以換回Normal或嘗試ALGO All。AMIX和BMIX這是控制電荷密度混合的參數(shù)。SCF不收斂時(shí)可以嘗試減小混合參數(shù)AMIX如從0.4降到0.2增加BMIX如從1.0增加到3.0這會使混合更“保守”有助于穩(wěn)定收斂。LDIAG對于大體系或難以收斂的體系設(shè)置LDIAG .TRUE.可以在每次SCF迭代開始時(shí)對角化哈密頓量有時(shí)能改善收斂但會增加計(jì)算量。使用ICHARG11讀入波函數(shù)如果你有一個(gè)和當(dāng)前體系非常接近的已收斂計(jì)算的WAVECAR文件設(shè)置ICHARG11并指定WAVECAR作為初始波函數(shù)可以極大地加速收斂。5.3 離子弛豫結(jié)構(gòu)優(yōu)化的穩(wěn)定性設(shè)置結(jié)構(gòu)優(yōu)化跑飛了能量不降反升原子亂跑怎么辦POTIM步長IBRION2CG算法中的POTIM控制初始步長。默認(rèn)值0.5離子單位對很多體系偏大。嘗試將其減小到0.2或0.3可以增加優(yōu)化的穩(wěn)定性。SMASSIBRION1準(zhǔn)牛頓法和3阻尼分子動(dòng)力學(xué)中使用的參數(shù)控制軌跡的阻尼。IBRION1時(shí)SMASS默認(rèn)-3微動(dòng)模式已經(jīng)很穩(wěn)定。IBRION3時(shí)SMASS通常設(shè)置在1到3之間值越小阻尼越大優(yōu)化越慢但越穩(wěn)。分步優(yōu)化策略對于非常難優(yōu)化的體系如表面吸附、缺陷體系可以采用分步優(yōu)化先用較低的精度PRECLow,EDIFF1E-4,EDIFFG-0.05和較軟的贗勢如果可用進(jìn)行快速預(yù)優(yōu)化讓結(jié)構(gòu)大致到位。然后用高精度設(shè)置在預(yù)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)CONTCAR上繼續(xù)優(yōu)化。選擇性動(dòng)力學(xué)Selective Dynamics在POSCAR中固定那些你知道不應(yīng)該移動(dòng)的原子比如表面計(jì)算中的底層原子或者分子計(jì)算中不想優(yōu)化的部分可以極大地提高優(yōu)化效率和穩(wěn)定性。6. 輸入輸出文件管理高效工作的基石隨著計(jì)算任務(wù)增多文件管理會變得混亂。建立一套規(guī)范的命名和管理習(xí)慣至關(guān)重要。目錄結(jié)構(gòu)我習(xí)慣為每個(gè)“項(xiàng)目”建立一個(gè)主目錄下面為每個(gè)具體的計(jì)算任務(wù)創(chuàng)建子目錄。Project_SiO2/ ├── 1_Relax_Bulk/ # 體相結(jié)構(gòu)優(yōu)化 │ ├── POSCAR │ ├── INCAR.relax │ ├── POTCAR │ ├── KPOINTS │ └── run.sh ├── 2_SCF_for_Phonon/ # 聲子計(jì)算的自洽 │ ├── INCAR.scf │ └── ... (其他文件從1_Relax_Bulk/CONTCAR復(fù)制過來) ├── 3_DFPT_Gamma/ # DFPT計(jì)算 │ ├── INCAR.dfpt │ ├── KPOINTS.phon │ └── ... └── 4_Phonon_Postprocess/ # 聲子后處理 ├── phonopy.conf └── ...文件命名不要永遠(yuǎn)用INCAR,KPOINTS。使用有意義的名稱如INCAR.relax,INCAR.scf,KPOINTS.coarse,KPOINTS.dense。提交腳本里用cp或ln -s鏈接到VASP需要的默認(rèn)文件名。記錄參數(shù)在計(jì)算目錄下放一個(gè)README.txt或params.log記錄本次計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)ENCUT, k點(diǎn)網(wǎng)格EDIFFG等和目的。幾個(gè)月后你一定會感謝自己。結(jié)果歸檔計(jì)算完成后將關(guān)鍵的輸入文件和輸出文件CONTCAR,OUTCAR,OSZICAR,vasprun.xml打包歸檔。可以刪除巨大的CHG/CHGCAR和WAVECAR除非確定后續(xù)要用以節(jié)省空間但務(wù)必先確認(rèn)不再需要。計(jì)算本身可能只花幾小時(shí)但尋找一個(gè)丟失的參數(shù)或者重現(xiàn)一個(gè)舊結(jié)果可能花掉你幾天時(shí)間。良好的文件管理習(xí)慣是計(jì)算效率的倍增器它能讓你更專注于科學(xué)問題本身而不是陷入文件混亂的泥潭。從第一個(gè)計(jì)算開始就堅(jiān)持這樣做你會發(fā)現(xiàn)后續(xù)的工作流會順暢得多。