VASP软件包介绍

VASP软件包介绍Outlines1.VASP介绍2.关键词详解3.输入和输出文件4.基础性质计算1.VASP介绍•1.1VASP是什么？•1.2VASP的组成部分•1.3VASP的计算功能1.1VASP是什么？采用平面波赝势(或缀加投影波)方法进行从头的分子动力学模拟的软件包。基于(有限温度下的，对电子气而言)局域密度近似，自由能作为电子气密度的泛函在每个MD时间步长内精确求解电子气的瞬时基态1.2VASP的组成部分•Fortran语言编写的主要代码vasp.4.x.tar.gz和数学库文件vasp.4.lib.tar.gz•元素周期表中绝大部分元素的超软赝势(LDA和GGA)和缀加投影波势(LDA,GGA和PBE)•一些用来处理计算数据的script和tools•另外还有VASP组自己开发的p4vasp(图形界面的软件专门用来处理计算数据vasprun.xml，可以免费下载)和vaspview(图形界面的软件，可视化ELF函数和电荷密度)1.3VASP的计算功能•采用周期性边界条件(或超原胞模型)处理原子、分子、团簇、纳米线(或管)、薄膜、晶体、准晶和无定性材料，以及表面体系和固体•计算材料的结构参数(键长,键角,晶格常数，原子位置等)和构型•计算材料的状态方程和力学性质(体弹性模量和弹性常数)•计算材料的电子结构(能级、电荷密度分布、能带、电子态密度和ELF)•计算材料的光学性质•计算材料的磁学性质•计算材料的晶格动力学性质(声子谱等)•表面体系的模拟(重构、表面态和STM模拟)•从头分子动力学模拟•计算材料的激发态(GW准粒子修正)等等2.关键词详解•VASP通过对INCAR中关键词赋值确定计算内容•2.1初始参数•2.2电子的优化•2.3原子弛豫•2.4态密度积分和参数•2.5其他•2.6关键词的总结2.1初始参数•SYSTEM:注释所计算的体系，以示说明。•NWRITE:默认值为2，可赋予值为0|1|2|3|4。决定OUTCAR中输出内容的详细程度•ISTART:如果计算目录中有WAVECAR文件，则默认值为1，否则为0。可赋予值为0|1|2|3。决定是否读入WAVECAR：0:开始新的计算，按INIWAV初始化波函数1:接着计算，通常用在测试ENCUT的收敛性以及计算结合能曲线(也就是体积和总能的关系)2:接着计算，通常用在希望保持基矢不变的计算中3:接着计算，读入上一次计算得到的电荷密度和波函数，不推荐用•ICHARG:如果ISTART=0，则默认值为2，否则为0。可赋予值为0|1|2。决定了如何构造初始的电荷密度0:从初始的波函数构造1：读入CHGCAR读入，并同原子密度进行线性插值2:构造原子密度11：读入自洽的CHGCAR，并进行能带计算或态密度的非自洽计算12:非自洽的原子密度计算2.1初始参数•INIWAV:默认值为1，可赋予值为0|1。只在开始新的计算(也就是ISTART=0)中有效。决定了如何初始化波函数0:采用”jellium波函数”1:对波函数赋予随机数•ISTART和ICHARG•这两个关键词分别定义了如何构建初始的波函数和电荷密度、读入上一次的波函数和电荷密度。VASP的manual•上讲了多种情况，这里推荐的做法是：在进行能带结构、电子态密度等性质的计算时，设置ISTART=1,•ICHARG=11；其他的情况，一般都设置ISTART=0,•ICHARG=2。如果由于断电或其他情况，程序停止运行了，但是又想接着计算，此时在INCAR设置•ISTART=1，ICHARG=1，其他的参数不变，文件也不用动。2.2电子的优化•1.自洽迭代步数和收敛标准：NELM,NELMIN,NELMDL,•EDIFF.•2.平面波切断动能和缀加电荷时的切断值：ENCUT,•ENAUG•3.电荷密度混合方法:IMIX,AMIX,AMIN,BMIX,AMIX-M•AG,BMIX-MAG.WC,INIMIX,MIXPRE,MAXMIX.•4.电子部分优化的方法：ALGO,IALGO,LDIAG.•电子优化需要设置的参数有EDIFF和ENCUT,其他参数使用默认。由于NELM的默认是60，如果无法自洽收敛，需要设置电荷电荷密度混合方法。电子部分优化得参数可以选设，如IALGO.1.自洽迭代步数和收敛标准•NELM:允许电子自洽迭代的最大步数。默认值为60。如果超过了40步还没有收敛的话，推荐对IALGO、LDIAG和混合参数进行手动设置到合理的值•NELMIN:电子自洽迭代的最小步数。默认值为2。通常不需手动设置，在有些情况可以赋予更大数•NELMDL:在一开始计算时初始化的过程中电子非自洽迭代的步数。当ISTART=0,INIWAV=1和IALGO=8时默认值为-5。当ISTART=0,INIWAV=1和IALGO=48(vasp4.4版本中)时默认值为-12。其他情况下为0•EDIFF:EDIFF是电子结构部分自洽迭代循环时，判断是否自洽了的条件。上次和当前两次迭代中总能和本征值的变化都小于EDIFF时，则电子结构部分迭代循环停止。如果EDIFF=0时，则进行NELM步迭代后停止迭代。默认值为1E-4，一般情况下没有必要设置更小的值。1.自洽迭代步数和收敛标准•分析：在量子力学中，我们知道，一个体系可以通过一组波函数来描述。在VASP中，体系是通过一组平面波来描述。首先对一个体系，任意构造出初始的波函数，可以知道刚开始构造的初始波函数描述体系并不准确，即构造出电荷密度函数，也就知道了哈密顿量。通过求解薛定谔方程，可以得到第二组波函数。显然第二组波函数描述比第一组更精确。在该过程中计算总能量的变化量。从第一组波函数到第二组波函数的过程即一次自洽迭代。依次重复下去，当前后两次总能量之差小于EDIFF时，自洽迭代停止。如下一张中dE小于EDIFF时，自洽停止。•非自洽迭代：在开始计算过程中，前面-NELMDL次迭代,波函数随迭代结果改变，电荷密度函数并不改变。这样可以计算速度加快。1.自洽迭代步数和收敛标准•输出在屏幕上的数据•vasp.4.6.2517Sep03complex•POSCARfound:1typesand1ions•LDApart:xc-tableforCeperly-Alder,standardinterpolation•POSCAR,INCARandKPOINTSok,startingsetup•WARNING:wraparounderrorsmustbeexpected•FFT:planning...1•readingWAVECAR•enteringmainloop•NEdEdepsncgrmsrms(c)•DAV:10.389589563746E+010.38959E+01-0.17519E+02100.991E+01•DAV:20.290759302658E+00-0.36051E+01-0.36051E+01200.130E+01•DAV:3-0.895110055623E-01-0.38027E+00-0.34433E+00150.506E+00•DAV:4-0.106792647484E+00-0.17282E-01-0.15649E-01100.856E-01•DAV:5-0.106942987695E+00-0.15034E-03-0.15024E-03100.110E-010.431E-03•DAV:6-0.106949593652E+00-0.66060E-05-0.36632E-05100.188E-02•1F=-.10694959E+00E0=-.53948205E-01dE=-.106003E+00•writingwavefunctions•N：迭代次数E：总能dE：总能的变化deps：本征值的变化•ncg:HΨ的优化步数Rms：总的残差矢量Rms(c):电荷密度残差矢量2.平面波切断动能和缀加电荷时的切断值•ENCUT:确定平面波的切断动能，默认值从POTCAR中读入•Cut-offenergyforplanewavebasissetineV.Allplane-waveswithakineticenergysmallerthanareincludedinthebasisset:i.e.•ENAUG:确定缀加电荷的切断值，默认值从POTCAR中读入•Kineticenergycut-offfortheaugmentationcharges.ThislinedeterminesNGXF,NGYFandNGZF3.电荷密度混合方法3.电荷密度混合方法•一般采用它们的默认值，除非在电子迭代很难收敛的情况，才去手动设置AMIX和BMIX等参数值，比如AMIX=0.2,BMIX=0.00014.电子部分优化的方法•ALGO:(用在4.5以后的版本中)确定电子优化的算法:Normal:则IALGO=38(也就是blockedDavidson方法)Very_Fast:则IALGO=48(RMM-DIIS算法)Fast:上面两种算法混着使用•IALGO：具体确定电子优化采用何种算法。对4.5以上的版本，默认值为38•LDIAG：确定是否进行子空间对角化。默认值为.TRUE.•在INCAR中加入IALGO=48可以计算速度快2.3原子弛豫•1.原子如何移动以及步长,步数和弛豫收敛条件：IBRION,NFREE,ISIF,POTIM,NSW，EDIFFG.•2.分子动力学相关参数：SMASS,TEBEG,TEEND,POMASS,NBLOCK•,KBLOCK,PSTRESS，NSW,POTIM.1.原子如何移动以及步长和步数•IBRION:决定了原子如何移动或迟豫。如果NSW=0或1，则默认值为－1，否则为0。可赋予值为－1|0|1|2|3|5。IBRION=0表示进行分子动力学模拟。为-1表示原子不移动。为其他值设置结构优化的方法。-1：原子位置不移动0:标准的分子动力学模拟。采用Verlet算法来积分原子的牛顿运动方程。通过POTIM来控制时间步长(单位是fs)。SMASS控制系综的设置1:采用准牛顿算法来优化原子的位置2:采用共轭梯度算法来优化原子的位置3:采用最速下降算法来优化原子的位置5:用来计算Hessian矩阵和体系的振动频率•NFREE:相当于设置的自由度。当IBRION=5，NFREE=2或4决定了原子的移动，推荐设置为2。该参数在计算频率和进行选择性原子弛豫时需要设置。1.原子如何移动以及步长和步数•ISIF：决定了是否计算应力以及如何对结构进行优化。当IBRION=0时，默认值为0，否则为2。可赋予值为0|1|2|3|4|5|6|7|ISIF计算离子所受的力计算原胞的stresstensor离子位置驰豫改变原胞的形状改变原胞的体积0是否是否否1是traceonly是否否2是是是否否3是是是是是4是是是是否5是是否是否6是是否是是7是是否否是1.原子如何移动以及步长和步数•Traceonly表示仅有总压力是正确的，总压力也是在OUTCAR文件中这一行“externalpressure=...kB”给出的。•出的。在对原胞的体积或形状进行优化时，ENCUT要略取的大一些（比如取为1.3*ENCUT的默认值或者设置•1.3*ENCUT的默认值或者设置PREC=High）以消除PulayStress导致的误差。1.原子如何移动以及步长和步数•POTIM:当IBRION=1,2或3时，是力的一个缩放常数(相当于确定原子每步移动的大小)，默认值为0.5。当IBRION=0时，是MD的时间步长，无默认值，必须手动设置。•NSW:原子迟豫的最大步数和分子动力学的步数。默认值为0。在每一步内，电子进行自洽计算，并精确计算原子所受的H-F力和和应力。•EDIFFG:原子迟豫收敛的标准。默认值为EDIFF*10。如果它的值为正的，则表示前后两次的总自由能之差小于EDIFFG，原子停止迟豫。如果为负的，则原子所受的最大的力小于ED