VASP 的输入文件

Northword2020年11月19日
  • VASP
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VASP 的输入文件

VASP 运行至少包含四个输入文件:INCARPOSCARPOTCATRKPOINTS

INCAR

INCAR 是 VASP 运行的 控制文件,他告诉 VASP 要 做什么以及如何去做。INCAR 文件中包含很多标签及其对应的值,通过修改他们来修改 VASP 运行的参数。

标签的含义可以查 vasp-input-files-INCAR 和 [VASP 手册](https://www.vasp.at/wiki/index.php/Categoryopen in new window: INCAR)。

POSCAR

POSCAR 是个 结构文件,他告诉 VASP 要运行的是什么物质。该文件包含晶格几何形状和离子位置等。

这是一个 POSCAR 文件的示例:

O2 molecule           # 注释行
10                    # 比例,提供了通用缩放因子(晶格常数)
1.0 0.0 0.0           # 3-5行 格矢
0.0 1.0 0.0
0.0 0.0 1.0
O                     # 元素类别(与它们在POTCAR文件中的顺序一致)
2                     # 原子数量
Selective Dynamic     # 
Direct                # 坐标类别:分数/笛卡尔
0.5 0.5 0.5    F F F  # 每个原子的三个(X Y Z)坐标。
0.5 0.5 0.623  F F T

第 8 行:该模式允许为每个原子提供额外的标志,以指示在离子弛豫期间是否将允许更改此原子的相应坐标。如果仅缺陷周围的某些壳或表面附近的层应松弛,则此设置很有用。这一行是可选的,如果省略了选择性动力学标签,则第八行将在笛卡尔和直角坐标之间进行切换,如下。

O2 molecule           # 注释行
10                    # 比例,提供了通用缩放因子(晶格常数)
1.0 0.0 0.0           # 3-5行 格矢
0.0 1.0 0.0
0.0 0.0 1.0
O                     # 元素类别(与它们在POTCAR文件中的顺序一致)
2                     # 原子数量
Direct                # 坐标类别:分数/笛卡尔
0.5 0.5 0.5           # 每个原子的三个(X Y Z)坐标。
0.5 0.5 0.623  

第 9 行:(如果不启用选择性动力学,则为第 8 行)指定原子位置是在笛卡尔坐标系(cartesian coordinates)中还是在分数坐标(direct (fractional) coordinates)中提供。

分数坐标是把点阵矢量看成是单位矢量下确定原子位置; 笛卡尔坐标是绝对坐标,是直角坐标系与斜角坐标系的统称,考虑点阵常数的大小。

Basically, the fractional coordinates show the fraction of each unit cell vector that contributes to the position of that atom。根本上来说,分数坐标给出了每个原子在元胞的相对位置。

晶格参数:

$$

\begin{aligned}

&A (A_x A_y A_z)\qquad & 2.46\qquad & 0.00\qquad & 0.00 \

&B (B_x B_y B_z)\qquad &-1.23\qquad & 2.13\qquad & 0.00 \

&C (C_x C_y C_z) & 0.00\qquad & 0.00\qquad & 10.00 \

\end{aligned}

$$

一个点的分数坐标(a, b, c)=(0.667,0.333,0)

$$

\begin{aligned}

&x = A_xa+B_xb+C_xc = &2.460.667&-&1.230.333&+&0*0&=1.23 \

&y = A_ya+B_yb+C_yc = &00.667&+&2.130.333&+&0*0&=0.71 \

&z = A_za+B_zb+C_zc = &00.667&+&00.333&+&10*0&=0

\end{aligned}

$$

这个点的笛卡尔坐标(x, y, z)= (1.23,0.71,0)

所以,笛卡尔坐标并不是原子在我们作为参考的直角坐标系中的绝对位置,而是在元胞基矢构成坐标系中,原子的绝对位置,而分数坐标,就是原子在元胞基矢构成坐标系中原子的相对位置。对于一个斜角坐标系,显然原子的相对位置比较好判断,所以,我们一般在 POSCAR 中用到的是其分数坐标,如果需要用到笛卡尔坐标,就用上面的公式转换。

抽象一些,用矩阵表示,对于以下两种坐标系:

$$

\begin{aligned}

& \text{system_name} &\ & \text{system_name} \

& \text{lattice_constant_1} &\ & \text{lattice_constant_2} \

& \begin{matrix}

A_{x} & A_{x} & A_{x} \

B_{x} & B_{y} & B_{y} \

C_{x} & C_{z} & C_{z}

\end{matrix} &\

& \begin{matrix}

A_{x} & A_{x} & A_{x} \

B_{x} & B_{y} & B_{y} \

C_{x} & C_{z} & C_{z}

\end{matrix}\

& \text{elements_type} &\ & \text{elements_type} \

& \text{atom_number} &\ & \text{atom_number} \

& \text{Direct} &\ & \text{Cartesion} \

& \begin{matrix}

X_{11} & X_{12} & X_{13} \

X_{21} & X_{22} & X_{23} \

X_{31} & X_{32} & X_{33}

\end{matrix}

&

& \begin{matrix}

x_{11} & x_{12} & x_{13} \

x_{21} & x_{22} & x_{23} \

x_{31} & x_{32} & x_{33}

\end{matrix} \

\end{aligned}

$$

$$ \left[ \begin{matrix} X_{11} & X_{12} & X_{13} \ X_{21} & X_{22} & X_{23} \ X_{31} & X_{32} & X_{33} \end{matrix} \right] * \left[ \begin{matrix} A_{x} & A_{x} & A_{x} \ B_{x} & B_{y} & B_{y} \ C_{x} & C_{z} & C_{z} \end{matrix} \right] *lattice_content_1 \

\left[

\begin{matrix}

x_{11} & x_{12} & x_{13} \

x_{21} & x_{22} & x_{23} \

x_{31} & x_{32} & x_{33}

\end{matrix}

\right]

*lattice_content_2

$$

vaspkit 411-412 可以转换。

参考:

vasp 的 POSCAR 文件中的 Direct 坐标和 Cartesion 坐标的关系 - 小木虫open in new window

POSCAR - VaspWikiopen in new window

POSCAR 关于分数坐标与笛卡尔坐标写法问题 - 郝玲娟 xueer 的新浪博客open in new window

笛卡尔坐标系 - 维基百科open in new window

提示

8 行 9 行均只识别第一个字母。即 VASP 识别的唯一关键字符是 C or c for cartesian modeDor d for direct modeS or s for Select

POTCAR

赝势文件。POTCAR 文件包含计算中使用的每个原子种类的赝势。如果物种数量大于一个,则 按照 POSCAR 中原子的顺序 合并每个物种的 POTCAR 文件。

其他见:https://www.bigbrosci.com/2017/10/18/ex1_05_vasp_preparation_input_potcar/open in new window

vasp 计算中用到的三种赝势:模守恒赝势,超软赝势,PAW 赝势 (按产生顺序)。

按方法不同分为 USPP 和 PAW(两种方法都可以相当程度地减少过渡金属或第一行元素的每个原子 所必需的平面波数量)。

按交换关联函数不同分为 LDA 和 GGA(又分为 PW91 和 PBE)//求解 K-S 方程时电子之间的交换关联泛函取局域密度泛函 LDA(Rc 处电子结构当成是密度相同的均匀电子气体来算)或 广义梯度泛函 GGA(考虑了密度的梯度变化),但泛函的不同也会引起贋势的不同。

每种元素往往还会有多种赝势存在。这是因为根据 ENMAX 的大小还可以分为 Ga,Ga_s(soft),Ga_h,或者根据处理半芯态的不同还可以分为 Ga,Ga_sv(s 电子作为半芯态),Ga_pv 的不同。

https://blog.csdn.net/kyang_823/article/details/56277201open in new window

KPOINTS

K 点取样文件。KPOINTS 文件用于指定 Bloch 矢量(k 点),这些矢量将用于在计算中对布里渊区进行采样。

可以使用几种不同的方法在 KPOINTS 文件中指定 k 点:(1)作为自动生成的(移位的)常规点网格;(2)通过线段的起点和终点;或(3)作为点和权重的明确列表。

K-POINTS      #  第一行随便写都行,但不能没有
 0             # 零,格子自动生成
Gamma         #  gamma点centered 
1 1 1         #  1*1*1格子
0 0 0         #  S1 S2 S3, 一般保持 0 0 0 不变。

详解:

  • 该 KPOINTS 文件里面,共有 5 行,# 号以及后面的不用输入;
  • 同 INCAR 的注释一样,不要在每一行后面使用 ! 来进行注释,要使用 #,且最好不要写中文。
  • 第一行:可以随便写内容,但不能没有;
  • 第二行:数字 0,不是字母 O,0 在这里表示的是自动生成 K 点。你可能注意到了,0 前面有个空格,不过没关系,对计算不影响,可以删掉,也可以再加一个空格,后面的同样如此。但是避免用 tab 输入,VASP 有时候不识别 tab 键输入的空白部分,导致计算出错;
  • 第三行:VASP 只认第一个字母,大小写均可。在这里 Gamma 和 gamma,Gorge,gorge 效果是一样的,当然这一行也可以直接写字母 G 或者 g。
    • G 表示的是以 gamma 点为中心生成网格。
    • 另外一种是原始的 Monkhorst-Pack 网格,两者的区别是 M 或者 m 在 G 的基础上在三个方向上平移了 1/(2N)个单位。
    • G,也叫 gamma centered Monkhorst-Pack Grid;所以,gamma centered 只是 MP 网格的一种特殊情况。
  • 第四行,在 xyz 三个方向上生成对应数目的 K 点,本例是 111;
    • 对于原子或者分子的计算,K 点取一个 gamma 点就够了(1 1 1),也就是这个 KPOINTS 文件可以用于绝大多数的原子或者分子计算,不用再修改;
    • 但如果你要用 ISMEAR = -5 来计算能量,那么就需要把 1 1 1 改成 2 2 2 或者 3 3 3。
  • 第五行,一般都写成 0 0 0,不用动即可;
  • 按照前面 INCAR 的方式保存文件,名字为 KPOINTS。

KPOINTS 的建议:

K 点在 VASP 计算中非常重要,大师兄给的一个建议是:

  • 一直用 gamma centered,也就是第三行保持 G 不变。因为 M 平移之后,网格的对称性和晶胞的对称性会出现不匹配的情况,从而导致计算出错,尤其是对于六角晶系 hexagonal 的结构,必须用 gamma centered!这一点,vasp 官网说的很明确;其他的建议后续慢慢展开讨论。
  • 如非六角晶系的计算,如果已经设置的 M 算起来了,继续用 M 算就行,没必要改成 G 再重新算一遍;
  • 前面看不懂,没事。记住这一点,本节就圆满完成任务:气体分子,原子计算的时候,使用 gamma 点即可。

K 点取值:

  1. 通过测试不同 k 点对体系能量的变化
  2. 查找参考文献取值

此外,不同 K 点之间的数据不能混用。比如计算 CO 在一个 (3x3) Cu(111) 表面上的吸附能:

$$

E_{ads} = E_{CO + slab} – E_{slab} – E_{CO^{gas}}

$$

等号后面的前两项,必须要用同一个 K 点下计算出来的能量,如果 $E{CO+slab}$ 用 5x5x1 的 K 点, E(slab) 采用 3x3x1 的 K 点能量,得出的结果必然是错的。

K 点部分抄自大师兄网站:https://www.bigbrosci.com/2017/10/16/ex1_03_vasp_preparation_input_kpoints/open in new window

https://www.bigbrosci.com/2017/12/10/ex18/open in new window

手册:KPOINTS - Vaspwikiopen in new window


还有一些其他的文件:[Category: Input Files - vaspwiki](https://www.vasp.at/wiki/index.php/Categoryopen in new window: Input_Files) .