VASP程序使用
DFT简介与VASP使用
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Total energy(eV)
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硅体相总能量随K-mesh大小的变化情况 Size of k-mesh
4. Cutoff energy大小的选择：
截至能的大小直接影响到计算结果的精度和计算速度， 因此，它是平面波计算方法的一个重要参数。
理论上截至能越大计算结果也可靠，但截至能大小决定
了计算中平面波的数目，平面波数目越多计算时间约长、内 存开销越大。 一般根据所求物理量来确定截至能，例如计算体模量以 及弹性系数时，需要较高的截至能，而通常的构型优化只要
中等大小的截至能即可，另外动力学模拟时，可选取低的截
至能。
不同元素在构造其赝势时，有各自的截至能，对于VASP， 在缺省情况下，选取的是中等大小的截至能，这对于求解多 数物理量是足够的。严格意义上，截至能的确定与K-mesh大 小的确定类似，也是通过考察在总能量的收敛情况来确定(即 保证总能量收敛至1meV/atom)。
上式中动能项是对角化的，通过求解上式方括号中的哈密顿矩 阵来求解KS方程，该矩阵的大小由截至能(cutoff energy)来决定。
尝试电子密度和尝试波函数
写出交换相关势表达式
构造哈密顿量
子空间对角化，优化迭代
自由能的表达式E
新电子密度，与尝试电子密度比较
是
输出结果，写波函数
否
与原子轨道基组相比，平面波基组有如下优点： 1) 无需考虑BSSE校正； 2) 平面波基函数的具体形式不依赖于核的坐标，这样，一 方 面 ， 价 电 子 对 离 子 的 作 用 力 可 以 直 接 用 Hellman-
VASP程序使用
尝试电子密度和尝试波函数
写出交换相关势表达式
构造哈密顿量
子空间对角化，优化迭代
自由能的表达式E
新电子密度，与尝试电子密度比较
是
否
输出结果，写波函数
与原子轨道基组相比，平面波基组有如下优点： 1) 无需考虑BSSE校正； 2) 平面波基函数的具体形式不依赖于核的坐标，这样，一
对于K-mesh的确定方法，通常通过考察总能量/能量差的收敛 程度来确定，能量的收敛标准是1meV/atom。
多数情况下，对半导体或绝缘体较小的K-mesh能量就可以 收敛，对于导体，一般需要较大的K-mesh。
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Total energy(eV)
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PBE
2) POTCAT中各原子赝势定义的顺序必需与POSCAR中相同：
surface of mgo(100) (2*2)Mg 1.00000000000000 5.9459999999999997 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 5.9459999999999997 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 20.0000000000000000 20 20
动力学模拟)； DOSCAR : 态密度信息。
POSCAR文件内容说明：
Silicon bulk (Title) 2.9 (Scaling factor or lattice constant) 0.0 1.0 1.0 (第一个平移矢量的方向) 1.0 0.0 1.0 (第二个平移矢量的方向) 1.0 1.0 0.0 (第三个平移矢量的方向)
VASP参数设置详解
VASP参数设置详解VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）是一种用于计算材料和表面的第一性原理分子动力学（MD）和电子结构计算的软件程序。
它是一个功能强大且广泛应用的工具，可用于研究诸如能带结构、电子密度、总能量、力和应力等性质。
为了得到准确的计算结果，合适的参数设置非常重要。
以下是一些关键的VASP参数，以及它们的详细解释。
1.ENCUT（截断能）ENCUT是用于计算波函数的能量截断值。
它控制VASP计算中所使用的平面波基组的能量截断。
较高的截断能可提高计算结果的准确性，但同时也会增加计算的时间和资源消耗。
通常，ENCUT的值应在200到800eV之间选择，并根据体系的特点进行调整。
2.ISMEAR（态的展宽）ISMEAR参数用于控制态的展宽，即Gaussian函数用于展宽费米面附近的电荷分布。
它通常选择为0（对金属材料）或-5（对绝缘体和半导体材料）。
同时，SIGMA参数也需被设置为一个适当的值，以控制态的展宽。
3.IBRION（晶格弛豫类型）IBRION参数用于控制晶格弛豫的类型。
对于静止的体系，IBRION应设置为-1；对于晶胞形状和体积的弛豫，使用2；对于原子位置的弛豫，使用1、此外，ISIF参数用于指定对称性约束的条件，可以根据需要进行设置。
4.NSW（步数）NSW参数用于控制分子动力学（MD）计算中的步数。
步数越大，计算的结果越准确，但计算时间也会随之增加。
根据研究需求，可以选择适当的步数进行计算。
5.EDIFFG（势场截止值）EDIFFG参数用于控制在每个步骤中结构优化时原子之间相对位移的收敛标准。
它表示两个连续构型之间最大原子位移的标准，较小的值通常会导致更精确的结果。
6.KPOINTS（k点网格）KPOINTS参数用于控制在计算布里渊区积分时所使用的k点网格。
它决定了计算的精度和效率。
理想情况下，应选择一个高度对称的k点网格，以保证准确性。
如何用VASP计算晶格常数
如何用VASP计算晶格常数VASP是一款常用的第一性原理计算软件，可用于计算各种物理和化学性质，包括晶格常数。
本文将通过详细的步骤指导如何使用VASP计算晶格常数。
1.准备工作：在使用VASP计算晶格常数之前，需要准备以下文件：-INCAR文件：包含所有计算参数的输入文件。
- POSCAR文件：包含体系的原子坐标和晶格常数的输入文件。
可以使用外部软件生成，例如Materials Studio、VESTA等。
-POTCAR文件：包含原子势能信息的文件。
-KPOINTS文件：用于定义k点网格，用于计算能带结构。
可以使用自动生成工具进行生成。
2.设置INCAR文件：打开INCAR文件，设置以下参数：-ENCUT：截断能。
一种势能截断参数，对计算结果影响较大。
可通过多次计算逐渐增大其值，直到结果收敛为止。
- ISMEAR：用于定义电子占据数的方法。
常用的选项有Gaussian和Methfessel-Paxton。
- SIGMA：在使用ISMEAR选项为Gaussian时，用于定义宽度的参数。
一般选择小于0.2 eV。
- PREC：定义计算的精度级别。
常用的设置有Low、Normal和High。
-NSW：定义离子进行多少步的迭代。
-ISTART和ICHARG：对于初始的计算，将其设置为0。
-EDIFF：收敛判据。
设置一个合适的值，使得计算结果收敛。
3.设置POSCAR文件：打开POSCAR文件，设置晶体的结构参数。
可以手动输入原子的坐标，或者复制其他软件生成的文件内容。
4.设置POTCAR文件：在VASP的安装目录中，找到POTCAR文件夹，并将需要使用的原子势能文件复制到当前工作目录中。
注意保持POTCAR文件的顺序和POSCAR文件中原子的顺序一致。
5.设置KPOINTS文件：打开KPOINTS文件，在其中设置k点的信息。
k点的密度对计算结果的精度有一定影响，可以根据具体需求进行调整。
在这里，我们将只计算晶格常数，因此可以选择较低的k点密度。
VASP程序使用教程
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Total energy(eV)
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硅体相总能量随K-mesh大小的变化情况
Size of k-mesh
4. Cutoff energy大小的选择：
截至能的大小直接影响到计算结果的精度和计算速度， 因此，它是平面波计算方法的一个重要参数。
的选择可以方便控制平面波基组的大小。
平面波基组方法的不足之处：
1) 所求得的波函数很难寻找出一个直观的物理或化学图象与
化学家习惯的原子轨道的概念相联系，即其结果与化学家 所感兴趣的成键和轨道作用图象很难联系出来，这就为我 们计算结果的分析带来了困难； 2) 考察某些物理量时，例如原子电荷，涉及到积分范围的选
二维固体表面
说明： 重复平板模型中的平移矢量长度必须合理选择，以保证： 1) 对于分子体系，必须保证相邻重复单元中最近邻原子之间的 距离必须至少7~10埃以上； 2) 对于一维体系，相邻两条链最近邻原子之间的距离必须至少 7~10埃以上； 3) 对二维体系，上下两个平板最近邻原子之间的距离必须至少 7~10埃以上； 4) 严格意义上，通过考察体系总能量/能量差值对真空区大小的 收敛情况来确定合理的平移矢量长度。
Surf. Sci., 2007, 601, 3488
6) UPS能谱图像模拟
Surf. Sci., 2007, 601, 3488
7) 材料光学性质计算
8) 其它性质计算，包括功函、力学性质等
2. 重复平板模型(或层晶模型)：
VASP程序采用重复平板模型来模拟零维至三维体系
零维分子体系
VASP操作介绍两次课
说明：本PPT主要内容参考网络资源，其用于教学 是合适的。 主要参考：计算材料学：杨振华。
VASP计算软件包简介
VASP，其全称是Vienna Ab-initio Simulation Package。 VASP是一种使用赝势和平面波基组进行从头量子力学分 子动力学计算和第一性原理计算的软件包。 VASP主要用于具有周期性的晶体或表面的计算，可以采 用大单胞，也可以用于处理小的分子体系。
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Cutoff energy (eV)
硅体相总能量随cutoff energy大小的变化情况
5. VASP输入和输出文件：
输入文件(文件名必需大写)
INCAR : 其内容为关键词，确定了计算参数以及目的； POSCAR : 构型描述文件，主要包括平移矢量、原子类
i(r)eikrfi(r)
其中，单胞部分的波函数可以用一组在倒易空间的平面
波来表示：
fi(r)
c e iGr i,G
G
这样，电子波函数可以写为平面波的加和：
i(r)
c e i(kG )r i,kG
G
根据密度泛函理论，波函数通过求解Kohn—Sham方程来确定：
[ 2 m 2 2 V io (r ) n V H (r ) V X(r C )] i(r )i
6. VASP安装和运行：
(1) VASP程序安装： a. 设置编译环境：安装Fortran编译器，常用为IFC b. 对于并行版本vasp的编译，还需安装MPICH c. 编译vasp自带的库文件 d. 对makefile进行修改，包括BLAS和Lapack库文件所在
VASP参数设置详解要点
VASP参数设置详解要点VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）是一种第一原理计算程序，用于计算材料性质和从头计算材料结构。
在进行VASP模拟时，合理设置参数非常重要，它们决定了模拟的准确性和效率。
下面将详细讨论几个关键的VASP参数设置要点。
1.设置能量截断（ENCUT）：ENCUT是控制计算中的平面波能量截断的参数。
它应该尽量接近真实波函数的动能截断，以保证计算结果的准确度。
选择合适的ENCUT值非常关键，过低的值可能导致计算不收敛，过高的值则会造成计算时间过长。
一般建议从400eV开始进行尝试，然后根据计算的收敛性和计算结果调整。
2.设置k点密度（KPOINTS）：k点密度是控制倒空间采样的参数。
k点密度越高，计算结果越准确，但计算时间也会增加。
为了在准确性和效率之间取得平衡，可以根据材料的对称性和大小进行合理的选择。
一般情况下，对于晶体，k点密度可以使用Reciprocal Space的自动生成程序，对于分子系统，可以使用Gamma Point + Monkhorst Pack方案。
3.设置电子步的最大迭代次数（NELM）：NELM是控制电子步迭代收敛性的参数。
它决定了算法进行多少次最大迭代。
在计算过程中，电子步的总数是非常关键的。
如果电子步的迭代次数不足，可能会导致计算不收敛。
通常可以从60次开始进行尝试，如果计算结果不收敛，可以增加NELM的值。
4.设置计算精度（PREC）：PREC参数是控制计算精度的参数。
该参数取值从粗到细分别为Low，Medium，High和Accuracy。
选择适当的计算精度可以在减少计算时间和提高计算结果准确性之间取得平衡。
一般情况下，可以从Medium开始尝试。
5.设置自洽迭代的收敛判据（EDIFF）：EDIFF是控制自洽迭代收敛性的参数。
当自洽迭代前后两次总能量的变化低于EDIFF时，认为自洽迭代收敛。
合理设置EDIFF可以保证计算结果的准确性。
VASP操作介绍-两次课
化学家习惯的原子轨道的概念相联系，即其结果与化学家
所感兴趣的成键和轨道作用图象很难联系出来，这就为我 们计算结果的分析带来了困难； 2) 考察某些物理量时，例如原子电荷，涉及到积分范围的选 取，这造成所得物理量的绝对值意义不大； 3) 有些方法，例如杂化密度泛函方法不易于采用平面波基组 方法实现。
3. VASP程序基本知识
中等大小的截至能即可，另外动力学模拟时，可选取低的截
至能。
不同元素在构造其赝势时，有各自的截至能，对于VASP， 在缺省情况下，选取的是中等大小的截至能，这对于求解多
数物理量是足够的。严格意义上，截至能的确定与K-mesh大
小的确定类似，也是通过考察在总能量的收敛情况来确定(即 保证总能量收敛至1meV/atom)。
型和数目、以及各原子坐标；
KPOINTS : K点定义文件，可手动定义和自动产生； POTCAR : 各原子的赝势定义文件。
主要输出文件 OUTCAR : 最主要的输出文件，包含了所有重要信息； OSZICAR : 输出计算过程的能量迭代信息； CONTCAR: 内容为最新一轮的构型(分数坐标，可用于续算)；
4) 严格意义上，通过考察体系总能量/能量差值对真空 区大小的收敛情况来确定合理的平移矢量长度。
tal energy
3. K网格大小的选择：
对于一维至三维体系的计算，需涉及k点数目的选择，对 于K点的确定，它与布里渊区的形状以及对称性有关。VASP的 K点输入方法有多种，其中最常用的是直接给定K-mesh的大小， 然后程序根据布里渊区的形状以及对称性自动生成各K点的坐 标和权重。 对于K-mesh的确定方法，通常通过考察总能量/能量差的收敛 程度来确定，能量的收敛标准是1meV/atom。 多数情况下，对半导体或绝缘体较小的K-mesh能量就可以
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3) 对二维体系，上下两个平板最近邻原子之间的距离必须至少 7~10埃以上；
4) 严格意义上，通过考察体系总能量/能量差值对真空区大小的 收敛情况来确定合理的平移矢量长度。
Length of vector
Total energy
多数情况下，对半导体或绝缘体较小的K-mesh能量就可以 收敛，对于导体，一般需要较大的K-mesh。
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Total energy(eV)
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Size of k-mesh
硅体相总能量随K-mesh大小的变化情况
型和数目、以及各原子坐标； KPOINTS : K点定义文件，可手动定义和自动产生； POTCAR : 各原子的赝势定义文件。
主要输出文件
OUTCAR : 最主要的输出文件，包含了所有重要信息； OSZICAR : 输出计算过程的能量迭代信息； CONTCAR: 内容为最新一轮的构型(分数坐标，可用于续算)； CHGCAR和CHG : 电荷密度； WAVECAR : 波函数文件； EIGENVAL: 记录各K点的能量本征值，用于绘制能带图； XDATCAR: 构型迭代过程中各轮的构型信息(分数坐标，用于
VASP程序基本知识
1. VASP程序主要功能：
1) 能量计算
J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 191
2) 电子结构(能带结构、DOS、电荷密度分布)
能带结构
DOS
电荷密度分布
J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 19270
3) 构型优化(含过渡态)和反应途径
2(单胞内原子数目以及原子种类) Selective dynamics(表示对构型进行部分优化，如果没这行，则表示全优化) Direct (表示所采用的为分数坐标，如果内容为Car，则坐标单位为埃)
0.125 0.125 0.125 T T T (各原子坐标以及哪个方向坐标放开优化) -0.125 -0.125 -0.125 T T T
平面波基组方法的不足之处： 1) 所求得的波函数很难寻找出一个直观的物理或化学图象与
化学家习惯的原子轨道的概念相联系，即其结果与化学家 所感兴趣的成键和轨道作用图象很难联系出来，这就为我 们计算结果的分析带来了困难； 2) 考察某些物理量时，例如原子电荷，涉及到积分范围的选 取，这造成所得物理量的绝对值意义不大； 3) 有些方法，例如杂化密度泛函方法不易于采用平面波基组 方法实现。
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-10.80
100
150
200
250
300
Cutoff energy (eV)
硅体相总能量随cutoff energy大小的变化情况
5. VASP输入和输出文件：
输入文件(文件名必需大写)
INCAR : 其内容为关键词，确定了计算参数以及目的； POSCAR : 构型描述文件，主要包括平移矢量、原子类
不同元素在构造其赝势时，有各自的截至能，对于VASP， 在缺省情况下，选取的是中等大小的截至能，这对于求解多 数物理量是足够的。严格意义上，截至能的确定与K-mesh大 小的确定类似，也是通过考察在总能量的收敛情况来确定(即 保证总能量收敛至1meV/atom)。
-10.55
-10.60
Total energy (eV)
7) 材料光学性质计算 8) 其它性质计算，包括功函、力学性质等
2. 重复平板模型(或层晶模型)：
VASP程序采用重复平板模型来模拟零维至三维体系
零维分子体系
Dv: Vacuum thickness (~10 A) 二维固体表面
说明： 重复平板模型中的平移矢量长度必须合理选择，以保证：
1) 对于分子体系，必须保证相邻重复单元中最近邻原子之间的 距离必须至少7~10埃以上；
3. K网格大小的选择：
对于一维至三维体系的计算，需涉及k点数目的选择，对 于K点的确定，它与布里渊区的形状以及对称性有关。VASP的 K点输入方法有多种，其中最常用的是直接给定K-mesh的大小， 然后程序根据布里渊区的形状以及对称性自动生成各K点的坐 标和权重。
对于K-mesh的确定方法，通常通过考察总能量/能量差的收敛 程度来确定，能量的收敛标准是1meV/atom。
c
i i,k G
上式中动能项是对角化的，通过求解上式方括号中的哈密顿矩 阵来求解KS方程，该矩阵的大小由截至能(cutoff energy)来决定。
尝试电子密度和尝试波函数
写出交换相关势表达式
构造哈密顿量
子空间对角化，优化迭代
自由能的表达式E
新电子密度，与尝试电子密度比较
是
否
输出结果，写波函数
surface of mgo(100) (2*2)Mg
1.00000000000000
5.9459999999999997 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 5.9459999999999997 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 20.0000000000000000 20 20 (体系中有2种元素，各自的原子数目分别为20，20) Selective dynamics Direct 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.5000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.5000000000000000 0.5000000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.0000000000000000 0.5000000000000000 0.0000000000000000 F F F …… 0.2500000000000000 0.2500000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.7500000000000000 0.2500000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.2500000000000000 0.7500000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.7500000000000000 0.7500000000000000 0.0000000000000000 F F F
4. Cutoff energy大小的选择：
截至能的大小直接影响到计算结果的精度和计算速度， 因此，它是平面波计算方法的一个重要参数。
理论上截至能越大计算结果也可靠，但截至能大小决定 了计算中平面波的数目，平面波数目越多计算时间约长、内 存开销越大。
一般根据所求物理量来确定截至能，例如计算体模量以 及弹性系数时，需要较高的截至能，而通常的构型优化只要 中等大小的截至能即可，另外动力学模拟时，可选取低的截 至能。
J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 15454
4) 频率计算和HREELS能谱模拟
J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 7437
5) STM图像模拟
Surf. Sci., 2007, 601, 3488
6) UPS能谱图像模拟
Surf. Sci., 2007, 601, 3488
与原子轨道基组相比，平面波基组有如下优点： 1) 无需考虑BSSE校正； 2) 平面波基函数的具体形式不依赖于核的坐标，这样，一
方 面 ， 价 电 子 对 离 子 的 作 用 力 可 以 直 接 用 HellmanFeymann定理得到解析的表达式，计算显得非常方便， 另一方面也使能量的计算在不同的原子构象下具有基本 相同的精度； 3) 很方便地采用快速傅立叶变换(FFT)技术，使能量、力等 的计算在实空间和倒易空间快速转换，这样计算尽可能 在方便的空间中进行； 4) 计算的收敛性和精确性比较容易控制，因为通过截断能 的选择可以方便控制平面波基组的大小。
根据Bloch定理，对于周期体系，其电子波函数可以写
为单胞部分和类波部分的乘积：
i (r) eikrfi (r)
其中，单胞部分的波函数可以用一组在倒易空间的平面
波来表示：
fi (r)
c e iGr
i,G
G
这样，电子波函数可以写为平面波的加和：
i (r)
PBE
2) POTCAT中各原子赝势定义的顺序必需与POSCAR中相同：
surface of mgo(100) (2*2)Mg 1.00000000000000 5.9459999999999997 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 5.9459999999999997 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 20.0000000000000000 20 20
……
POTCAR文件内容说明： VASP程序本身有提供了赝势库，只需将体系各类原子的
赝势合并在一起即可，但需注意到：
1) 赝势类型：
LDA
US型赝势 GGA
PAW型赝势
LDA GGA
PW91 PBE
PW91
US 型 赝 势 所 需 截 至 能 较小，计算速度快， PAW 赝 势 截 至 能 通 常 较大，而且考虑的电子 数多，计算慢，但精确 度高。