VASP简介及计算前期准备工作

2024-11-14 16:13   广东  

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VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)是当前科研界中备受欢迎的计算软件之一,其广泛的应用趋势反映了高水平科研成果对理论计算的强烈需求。更多的科研工作者选择功能强大,性能稳定VASP软件来进行材料模拟以及预测材料的电子性质。每年,国际核心期刊如Science、Nature、JACS和Angew.Chem.等都会发表近万篇利用VASP进行计算研究的文章。


VASP之所以受科研人员青睐主要是因其拥有较高的计算效率,VASP是目前做固体材料第一性原理计算效率最高的商用软件之一,可以使用较小的内存实现大规模的高效率并行计算并支持多核多节点并行计算,对核数和节点数均没有限制,支持单用户多用户同时使用。接下来,我们简要介绍VASP软件的基本原理及其部分关键参数的具体含义。

  • 基本原理

VASP是一个基于第一性原理开发的软件包,其核心在于通过近似求解薛定谔方程,来揭示体系的电子态和能量信息。VASP是基于赝势平面波基组的密度泛函理论(DensityFunctional Theory,DFT)的程序,其计算过程实质上是在DFT框架内对Kohn-Sham方程的求解。

VASP采用赝势平面波的方法,即采用赝势近似的模拟原子实势场,以平面波为基组,将单电子波函数表示为平面波叠加形式,平面波基组不需要进行BSSE校正。VASP采用投影缀加波贋势(Projector Augmented Wave,PAW),用来近似地处理原子电子间相互作用。在功能上,VASP软件兼容多种泛函,包括基于局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)的混合泛函,以及结合DFT交换作用能和Hartree-Fock(HF)精确交换作用能的杂化泛函。这些杂化泛函在后续计算材料的禁带宽度等高精度性质时尤为重要。

利用VASP软件进行模拟计算,主要涉及两个核心部分:几何结构优化和静态计算。在几何结构优化阶段,VASP采用周期性边界条件,基于密度泛函理论对原子、分子、表面、团簇等多种体系进行几何优化,以获得稳定的构型及相应的结构参数,如晶格常数、原子位置、键长和键角等。而静态计算则是在优化后的几何结构基础上,以更高的精度计算优化后的体系的能量,并计算该结构的多种物理和化学性质。

  • 准备工作

通过VASP软件提交计算任务时,我们需要准备四个输入文件,即INCAR,KPOINTS,POSCAR,POTCAR。INCAR文件是用来设置计算参数的文件。KPOINTS是K点定义文件,记录了倒空间的取样的方法。POSCAR是构型描述文件,主要包括平移矢量、原子类型和数目、以及原子坐标。POTCAR是个原子的赝势定义文件,记录了所需要的赝势,这里需要注意的是,赝势的种类和顺序都必须和POSCAR中原子种类和顺序一致。

MS软件欢迎界面

通过VASP进行理论计算时,我们需要通过一些其他软件进行辅助。准备结构文件需要的软件荐使用Materials Studio(MS),MS是一款商业软件。通过MS可以很方便的进行建模,包括一维、二维和三维结构。具体的建模方法我们再后期的POSCAR文件准备的章节再给大家演示。POSCAR文件需要通过VESTA文件生成,VESTA是一款优秀的免费的可视化软件,我们需要通过VESTA将用MS软件建模后生成的cif文件转化成POSCAR,具体操作都将在后面的教程里给出。

VESTA软件

同时推荐大家安装p4vasp软件,它兼容Windows与Linux两大操作系统。p4vasp软件包集成了一系列实用工具,专门用于处理VASP软件输出的XML格式文件(即vasprun.xml)。借助p4vasp可以轻松绘制能带结构图、态密度图,并模拟扫描隧道显微镜(STM)图像。此外,INCAR、KPOINTS和POTCAR等VASP计算所需的输入文件,可通过如VASPKIT和qvasp等免费小工具便捷生成。

需要注意的是,VASP计算的输入文件应为无后缀的纯文本文件。在Windows系统中,我们推荐使用Sublime Text编辑器进行编辑,当然,Atom和VS Code也是不错的选择,具体取决于个人偏好和使用习惯。如果输入文件曾在Windows系统下使用记事本或写字板编辑过,那么在Linux系统中运行之前,需使用dos2unix命令将其转换为Linux文件格式,以预防计算过程中出现错误。

  • 其他问题

关于VASP软件编译问题,网上有很多教程,大家自行编译,后期朱老师也会出相关的文字和视频教程。

文中提到的软件下载链接如下:

VESTA:

http://jp-minerals.org/vesta/en/

p4vasp:

http://www.p4vasp.at/

VASPKIT:

http://vaspkit.sourceforge.net/

qvasp:

https://sourceforge.net/projects/qvasp/

Sublime Text:

https://www.sublimetext.com/ (sublime text2 以前是免费的,sublimetext3以后是版权收费的,但不是强制收费。)

Atom:

https://www.atom.io/

VS Code:

https://code.visualstudio.com/

(文章主要参考大师兄科研网、侯柱峰老师的教程以及笔者师兄所写教程)
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DFT计算参谋长
华算科技朱参谋长公众号,十余年VASP重度使用经验,每天给大家带来期刊速览,学术新闻,欢迎关注!
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