Quick Start of VASP

本教程基于 HPC of zhenggroup 集群环境

一、VASP简介

关于 VASP

https://www.vasp.at/info/about/
The Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) is a computer program for atomic scale materials modelling, e.g. electronic structure calculations and quantum-mechanical molecular dynamics, from first principles.

VASP是用于原子尺度材料模拟的计算程序，基于第一性原理

  1. 计算电子结构性质
  2. 计算量子力学分子动力学

VASP computes an approximate solution to the many-body Schrödinger equation, either within density functional theory (DFT), solving the Kohn-Sham equations, or within the Hartree-Fock (HF) approximation, solving the Roothaan equations. Hybrid functionals that mix the Hartree-Fock approach with density functional theory are implemented as well.Furthermore, Green’s functions methods (GW quasiparticles, and ACFDT-RPA) and many-body perturbation theory (2nd-order Møller-Plesset) are available in VASP.

VASP计算多体薛定谔方程近似解。

  1. DFT求解Kohn-Sham方程
  2. HF求解Roothaan方程
  3. 杂化泛函
  4. 格林函数方法(GW准粒子和ACFDT-RPA)和多体微扰理论(二阶Møller-Plesset)

In VASP, central quantities, like the one-electron orbitals, the electronic charge density, and the local potential are expressed in plane wave basis sets. The interactions between the electrons and ions are described using norm-conserving or ultrasoft pseudopotentials, or the projector-augmented-wave method.

  1. 中心量，如单电子轨道、电子电荷密度和局域势都以平面波基组表示。
  2. 电子和离子之间的相互作用以模守恒赝势、超软赝势或缀加投影缀加波(PAW)方法来描述。

To determine the electronic groundstate, VASP makes use of efficient iterative matrix diagonalisation techniques, like the residual minimisation method with direct inversion of the iterative subspace (RMM-DIIS) or blocked Davidson algorithms. These are coupled to highly efficient Broyden and Pulay density mixing schemes to speed up the self-consistency cycle.

为确定电子基态，VASP使用高效迭代的矩阵对角化技术，如带有迭代子空间直接反演的残差极小化方法(RMM-DIIS)或阻塞Davidson算法。这些算法与高效Broyden和Pulay密度混合方案相耦合，用以加快自洽循环。

VASP 算法
结构优化算法：conjugate gradient, Quasi-Newton or damped molecular dynamics
过渡态搜索：Nudged elastic band methods

VASP 应用和局限

VASP 侧重表面、体相材料计算
PBE泛函 + PAW赝势 + PW基组
Perdew-Burke- Ernzerhof+projector-augmented-wave+plane wave
PBE泛函：Phys. Rev. Lett. 78, 1396 (1997)
关于PAW算法的介绍：https://zhuanlan.zhihu.com/p/575479762
PW基组

  1. 计算周期性的体系
  2. 体系不能过大，200原子以内

二、VASP使用

输入文件

INCAR,POSCAR,POTCAR,KPINTS,(OPTCELL),vasp.pbs

表面建模

  1. 真空层
    R. Hoffmann, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 93-103
    MS建模：https://www.bilibili.com/video/BV1b54y1672a/?spm_id_from=333.999.0.0
    Modules-Amorphous Cell模块添加溶剂化层*
  2. Wood表面标记
    fcc(100)-c(2×2) <=> fcc(100)-($\sqrt{2}$ × $\sqrt{2}$)R45°
  3. 结构，VASP仅识别文件名为POSCAR的结构，其他结构可以转换成*.vasp文件后重命名为POSCAR
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     O  H                                                                   # system
       1.00000000000000                                                     # 比例系数，压力
        11.0000000000000000    0.0000000000000000    0.0000000000000000     # 晶胞基矢a
         0.0000000000000000   12.0000000000000000    0.0000000000000000     # 晶胞基矢b
         0.0000000000000000    0.0000000000000000   13.0000000000000000     # 晶胞基矢c
       O    H                                                               # 元素识别
         1     2                                                            # 元素数量识别
    Selective                                                               # 原子固定
    Cartesian                                                               # 笛卡尔坐标、分数坐标
            +10.7708483093   +11.6761039758   +0.0000000000  T T T          # 原子1坐标         
            +0.7421507349   +11.7181789381   +0.0000000000  T T T           # 原子2坐标
            +10.4870009558   +0.6057170861   +0.0000000000  T T T           # 原子3坐标
  4. 画图：MS，vesta，VMD，origin，illustrator

环境准备

在提交脚本vasp.pbs内添加以下内容

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# 方法一：镜像
module load singularity/3.8.7   # 加载容器
singularity run  /public/software/images/ase.sif  mpirun -np 48  vasp_std  1>log 2>err   执行计算

# 方法二：本地软件
module load hdf5    # 存储数据/并行I/O
module load gcc/9.3.0   # GNU 编译器套件
source /public/software/intel2020u2/intel2020u2_env.sh  # intel 环境
mpirun -np 48 /public/software/vasp.6.3.2/bin/vasp_std 1>log 2>err   # 执行计算

INCAR 常用参数说明

  1. 输入输出

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    SYSTEM = string          # 注释行

    ISTART = 0|1             # 存在WAVECAR，1; 否则，0初猜
    ICHAGE = 1|2             # ISTART为0，取2用原子电荷密度组装|1：从CHGCAR文件读入

    NWRITE = 2               # 控制输出信息的详细程度
    LCHARG = .T.             # 输出电荷密度CHG/CHGCAR 
    LWAVE = .T.              # 输出波函数文件WAVECAR
    LVTOT = .T.              # 输出总局域势LOCPOT
    LELF = .T.               # 输出电子局域密度函数ELFCAR文件

  2. 结构优化

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    # 泛函选择
    GGA = PE                 # PBE泛函


    # 电子步
    ALGO = N                 # 电子优化算法;IALGO                 
    NELM = 200               # 最大电子步数
    ISMEAR = 0|-5            # 决定如何确定电子部分占据数，0,高斯展开|-5,布洛赫校正四面体方法，DOS|金属建议用正整数
    SIGMA = 0.05             # 展宽越小，计算越精确，一般设置0.05 ~ 0.1
    ENCUT = 400              # 平面波基的截断能
    PREC = N|A               # 网格精度，建议一般优化取N|单点和频率取A 



    # 离子步
    IBRION = -1|0|1|2|3      # 离子优化算法;-1离子不运动|0分子动力学模拟|1准牛顿法离子弛豫|2共轭梯度CG算法的离子弛豫
    POTIM = 0.1              # 作用在力上的比例系数
    NSW = 500                # 离子步长
    ISIF = 2|3               # 控制离子运动，2晶胞不优化|3优化
    ISYM = 0|1               # 对称性是否开启，算吸附态时建议为0

    # 电子自旋、磁矩
    ISPIN = 1|2              # 电子总自旋。1无自旋|2有自旋
    MAGMOM = N*M ...         # 指定特定原子的磁矩

    # 表面计算
    LDIPOL = .T.             # 偶极矩校正开
    IDIPOL = 3               # 偶极矩校正精度

  3. 频率计算

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    IBRION = 5               # 频率计算
    NFREE = 2                # 自由度
    POTIM = 0.015            # 频率计算模式
    EDIFF = 1E-6             # 防止虚频

  4. 单点计算/bader/pdos

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    NSW = 1
    # Bader
    LAECHG = .T.
    LCHARG = .T.
    # Pdos 需要提高K点网格，有真空层的情况下扩大XY方向的K点
    ISMEAR = -5
    LORBIT = 11

    POTCAR

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    cat /public/scripts/Pseudopotentials-VASP/potpaw_PBE/Cu/POTCAR  >> POTCAR

    KPOINTS
    https://www.bigbrosci.com/2017/12/10/ex18/
    https://www.vasp.at/wiki/index.php/KPOINTS

三、数据处理

  1. 检查输入文件/public/scripts/checkinput.sh
  2. 查看优化结果/public/scripts/ta.sh
  3. 快速固定坐标/public/scripts/dtoc.py

参考资料

  1. VASP 官网
  2. Learn VASP The Hard Way
  3. https://zhuanlan.zhihu.com/p/571694885
  4. 平面波基组和赝势理论
  5. https://www.tcm.phy.cam.ac.uk/castep/documentation/WebHelp/content/modules/castep/thcastepplanebasis.htm
  6. http://staff.ustc.edu.cn/~zyli/teaching.html
  7. https://zhuanlan.zhihu.com/p/575479762