vasp输入

• INCAR-电子步
  • ICHARG
    • ICHARG=0
    • ICHARG=1
    • ICHARG=2
    • ICHARG=4
    • ICHARG=10+（0，1，2，4）
  • NELMIN
  • EDIFF
  • ISMEAR
    • ISMEAR = N, N为正整数
    • ISMEAR = 0
    • ISMEAR=−1
    • ISMEAR=−2
      • FERWE
      • FERDO
    • ISMEAR=−3
      • SMEARINGS
    • ISMEAR=−4
    • ISMEAR=−5
    • SIGMA
• INCAR-离子步
  • NSW
  • EDIFFG
• INCAR-任务
  • SYSTEM = string
  • IBRION
    • ISIF = 1~7
    • POTIM = real
    • IBRION = 0
    • SMASS
    • IRBION =-1
    • NFREE
    • IBRION =1
    • IBRION=2
    • IBRION=3
    • IBRION =5 ,6,7,8,44
• INCAR-输出
  • LORBIT
• DOSCAR
• POSCAR
  • vasp5
• 实例：普通的计算（过渡金属氧化物nasicon）
  • 计算内容
  • 计算过程解释
    • 起始
    • 电子步
    • 离子步
  • 输出
  • 性能优化

总结了一些常用tag和实例

Adapted from vasp wiki

INCAR-电子步

ICHARG

initial charge density 初始电荷密度

ICHARG=0

读取WAVECAR来获得初始电荷密度

ICHARG=1

从CHGCAR里面读取

ICHARG=2

原文：take superposition of atomic charge densities

不知道什么意思

ICHARG=4

从POT里面读取

要求LVTOT=.TRUE.

ICHARG=10+（0，1，2，4）

与前面各自对应，但是电子密度在整个electronic minimization过程中不变 用处： 在绘制band structure时候（比如 L-Γ-X-U）的图的时候，通过读取已有的CHGCAR，把KPOINTS设定在L-Γ-X-U，就可以画出来band structure

NELMIN

minimum number of electronic SCF steps：每个离子步中最少的电子步数量 $>0$： relaxation to local energy minimum 计算最小能量的模式：

EDIFF

电子步能量收敛的判据

ISMEAR

能量在费米能量周围的轨道，其电子占有概率的设置。？

https://www.vasp.at/wiki/index.php/ISMEAR

definition： determines how the partial occupancies $f_{nk}$ are set for each orbital 不知道对不对: 原本假设是Kohn Sham计算出来每一个态都与一个电荷相关联，但是，对于金属比如说，费米面附近的态是被部分填充的(fermi-dirac 公式，填充概率在$E_{fermi}$周围从100%下降到0%，这种情况下，ISMEAR来决定费米面附近是怎么被部分填充的

ISMEAR = N, N为正整数

计算方式为methfessel-paxton order N. 看不懂，但是这个partial occpancies可以是负数或者大于1 用于计算金属力和phonon frequency，有精确的SIGMA时候计算结果比较准确 不应用于半导体和绝缘体，错误会达到20%

ISMEAR = 0

Gaussian smearing (不懂) 这个方法通过sigma= finite value 外推到 sigma=0 时候的能量，但是可以不给初始的sigma？ 可用于绝缘体计算force和phonon frequency

对于未知体系，用ismear=0比较好

ISMEAR=−1

Fermi smearing.

ISMEAR=−2

partial occupancies are read in from the WAVECAR or INCAR file, and kept fixed 需要定义FERWE，有可能需要FERDO

FERWE

条件:ISMEAR=−2时候必须

FERWE=f(1)f(2)f(3)...f(NBANDS*Nk) 定义每一个band和k点的 partial occupancy 部分占据

Nk应该是k点数量

FERDO

条件：ISMEAR=-2且是 spin-polarized calculation(?)

FERDO=f(1)f(2)f(3)...f(NBANDS*Nk)

Nk应该是k点数量

Note that the partial occupancies are also written to the OUTCAR file, but in this case they are multiplied by 2, i.e. they are between 0 and 2.

ISMEAR=−3

: 根据一组sigma和ismear来循环计算，需要SMEARINGS参数

SMEARINGS

SMEARINGS = ismear1 sigma1 ismear2 sigma2 … 当ISMEAR = -3 时候必须设置，对于SMEARINGS中每一个参数进行尝试 并且计算能量

要求 IBRION = -1 即 离子不允许移动 并且设置NSW

ISMEAR=−4

: tetrahedron method (use a Γ-centered k-mesh).

ISMEAR=−5

: tetrahedron method with Blöchl corrections (use a Γ-centered k-mesh). 适用于semiconductor 和 insulator。 适用于bulk materials, DOS 计算结果比较好，但是计算力和stress tensor时候对于金属在计算力的时候有5%~10%偏差，可用于绝缘体计算force和phonon frequency，因为没有partial occupation， occupation只能是1和0。

SIGMA

是ISMEAR的相关选项 似乎ISMEAR=0 时候可以不定义SIGMA

definition：width of the smearing in eV. 不知道对不对；费米能级周围的宽度 由于fermi-dirac公式，电子占据特定量子态的概率为$\frac{1}{1+exp(\frac{E-E_f}{kT})}$。由于vasp计算时候k点网格是有限的，电子没有办法精确的占据网格，所以通过这个sigma来允许$[E_{fermi}\pm (SIGMA) ]eV$范围内的 轨道/态 被部分占据。 K点网格越多 （KPOINTS）那么SIGMA可以设置的越小

INCAR-离子步

NSW

maxmimum number of ionic steps 最大离子步数量

IBRION =0 时候，是必须项目 IBRION !=0 时候，即，在进行relaxation时候，能进行的最多离子步数量

EDIFFG

离子步能量收敛的判据

如果EDIFFG>0当 新的离子步 的 电子步收敛时的能量 与 上一个离子步 的 电子步收敛时的能量 之差小于收敛判据EDIFFG时离子步优化结束。如果EDIFFG<0,则为当所有力小于EDIFFG绝对值时（负的EDIFFG）离子步优化结束。

INCAR-任务

SYSTEM = string

系统的名称，没有锤子用，显示在outcar里面

IBRION

https://www.vasp.at/wiki/index.php/IBRION

分子动力学或弛豫离子？ MD or relaxation to the local minimum energy

当IBRION =0 进行分子动力学molecular dynamics计算

其他情况下是relaxation to minimum energy的计算

ISIF = 1~7

https://www.vasp.at/wiki/index.php/ISIF 重要参数，指定自由度

ISIF=3：全自由，用于晶格弛豫，寻找晶格常数

POTIM = real

IBRION的重要参数 set the time step for MD (IBRION=0) or step width scaling (IBRION !=0)

IBRION = 0

分子动力学计算，integrate Newton’s equations of motion. POTIM的单位是femto second

SMASS

是IBRION=0或者3时设置 smass=-3 NVE ensemble molecular dynamic SMASS=-2 the initial velocities are kept constant SMASS=-1 SMASS≥0, a canonical ensemble is simulated using the algorithm of Nosé. In this case the velocities are scaled 总能量守恒

SMASS提供阻尼因子 μ

IRBION =-1

离子不能移动，只是计算电子的自由度，没锤子用

NFREE

IBRIO>0时的重要设置，定义了：离子收敛过程中记住的步骤数

IBRION =1

要求初始位置非常精确，否则需要设置Nelmin=4~8

IBRION=2

比较快的离子弛豫算法

IBRION=3

阻尼分子动力学

IBRION =5 ,6,7,8,44

看不懂

INCAR-输出

LORBIT

LORBIT于RWIGS一起，决定了输出PROCAR PROOUT 具体参考https://www.vasp.at/wiki/index.php/LORBIT

DOSCAR

需要INCAR 中 定义 LORBIT才会有这个输出

POSCAR

vasp5

fcc (100) surface 注释

3.53 大于0：晶格常数，缩放所有的晶格向量（之后 三行）和原子坐标，如果小于0，则代表了总体积

.50000 .50000 .00000 晶格向量1

-.50000 .50000 .00000 晶格向量1

.00000 .00000 5.00000 晶格向量1

B N 元素

1 1 每个元素数量

Selective Dynamics 如果是selective dynamics,则可以定义每个原子是否可以移动

Kartesisch 笛卡尔坐标或者直接坐标

.00000 .00000 .00000 F F F F是fixed，固定坐标

.00000 .50000 .50000 F F F

.00000 .00000 1.00000 F F F

.00000 .50000 1.50000 T T T

.00000 .00000 2.00000 T T T

Cartesian 如果有初始速度的话会有接下来这些行

0.01 0.01 0.01 初始速度相关的

0.00 0.00 0.00

optionally predictor-corrector coordinates

given on file CONTCAR of MD-run

实例：普通的计算（过渡金属氧化物nasicon）

计算内容

通过conjugate gradient算法（studynote里面有）进行对晶格尺寸的优化（ionic relaxation）[IBRION=2]。通过计算力和stress tensor来调整晶格，计算过程中晶格中离子位置 和 晶格形状 和 晶格体积 都是可变的[ISIF=3]。

计算过程解释

参考vasp_study_note中的DFT计算过程总结部分：

起始

读取POSCAR得到起始离子位置，并给出初始电荷密度猜测为：（假设没有相互作用时的）单个原子电荷密度的简单叠加[ICHARG=2]，从而得到起始的电子密度n(r)。

电子步

用这个电子密度代入Kohn-sham 方程$[\frac{-\hbar^2}{2m}\nabla^2+V(r)+V_H(r)+V_{XC}(r)]\phi_i(r)=\epsilon_i\phi_i(r)$中的hartree potential，$V_H(r)=e^2\int \frac{n(r')}{|r-r'|}d^3r'$，可以得到一组电子波函数，用得到的电子波函数求新的n(r)，然后递归运算。递归运算算法是常用算法[ALGO=NORMAL]（Blocked-Davidson 算法）。

计算时，费米面附近轨道的占有概率用Gaussian method计算[ISMEAR = 0]，这个设置适合于半导体绝缘体。计算方式是：设定一个初始的sigma值0.05[SIGMA = 0.05]，使得能量在$E_{Fermi} \pm sigma$范围内的轨道可以被电子部分占据（常用于计算金属） 。通过减少sigma重新计算来外推到 sigma=0 时候的能量。

ENCUT = 520与计算速度有关，参考studynote中energy cutoff。block theorem给出的倒空间某点k对应的单电子波函数波函数$\phi(x,k)=e^{ikx}\sum _K c_{k+K} e^{iKx}$。此电子波函数所对应的能量本征值为$E=\frac{\hbar}{2m}|k+K|^2$，由于K是任意倒易单位矢量，所以E有无数多个，但是显然只有较低能量的是有效的（电子不会优先占用高能量）。所以设定了cutoff使得 $E_{cutoff}=\frac{\hbar}{2m}G_{cut}^2$ 这样对于给定的cutoff（如520eV），可以得到k的新的波函数 $\phi(x,k)=e^{ikx}\sum _{|k+K|<G_{cut}} c_{k+K} e^{iKx}$ 这样使得电子波函数不会太复杂，减少计算成本

由于过渡金属的存在（Ti），设置了自旋极化的计算[ISPIN = 2]。自旋极化是指d轨道被部分占据时，自旋方向相同的电子会产生磁矩的现象。磁矩大小 与 自旋方向相同的电子数量有关。起始的磁矩猜测是[MAGMOM = 38*0.6]。这个是用pymatgen生成的

另外，过渡金属需要LDA+U计算来引入d电子局域化的影响。U参数是向d或f层加入电子时候的额外能量参数。由[LDAU = True]打开LDA+U计算，[LDAUTYPE = 2]指定了+U计算类别是简化LSDA+U方法。设定[LDAUU]中四个数字依次对应POSCAR中的四个元素的U值（POSCAR中第二个元素是Ti，对应U=某值。POSCAR中其他元素不是过渡金属，所以U=0）。J参数是与d、f电子自旋相关的参数，但是在LDAU的基础上J也有对应的一套参数 [LDAUL = 0 0 0 0]是quantum number of on-site interaction。[LDAUPRINT = 1]是将LDA+U的一些结果写入OUTCAR输出。[LASPH = True]（平面波基矢的非球面贡献）可增加+U计算的准确性。对于[LDAUTYPE = 2]，[LMAXMIX = 4]可以加速收敛

计算时候使用的赝势是[METAGGA = Scan]，是meta-GGA的一种。[LMIXTAU = True]可以通过传递电子的动能信息帮助收敛。[LREAL = Auto]要求赝势在实空间进行投影，对投影算符进行自动优化，一般都会使用这个。

此递归运算为电子步（离子位置固定，计算电子密度从而获得当前离子位置所对应的能量），收敛条件是[EDIFF = 1e-05]。[NELMIN = 6]和[NELM = 200]要求电子步最多进行200步，最少进行6步。事实上大于40步一般就完蛋。

离子步

每次电子步收敛后，进行离子步（通过conjugate gradient算法[IBRION=2]）计算。从最后一个电子步中读取受力，通过受力方向来对离子来进行一个微小的移动（此移动与POTIM相关，或许不收敛的时候可以尝试修改以下POTIM？），得到新的离子位置。对新的离子位置，重复电子步的计算。如果EDIFFG>0当 新的离子步 的 电子步收敛时的能量 与 上一个离子步 的 电子步收敛时的能量 之差小于收敛判据EDIFFG时离子步优化结束。如果EDIFFG<0,则为当所有力小于|EDIFFG|时离子步优化结束。得到最终的晶体结构

离子步收敛时（离子移动的判据EDIFFG = -0.01）计算结束。cutoff是ENCUT = 520 eV。最多允许进行[NSW = 150]150步

输出

[LDAUPRINT = 1]是将LDA+U的一些结果写入OUTCAR输出。[LORBIT = 11]输出了DOSCAR和lm-decomposed PROCAR。[LWAVE = False]是指不将波函数写入WAVECAR

性能优化

[LPLANE = TRUE]是一个计算优化项目，[NCORE=12]是并行核心数量，一般等于单路核心数量。[NSIM = 4]是同时优化的band数量一般不需要改。[PREC = Accurate]会让计算结果相对准确。