Shixian Liu
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VASP 结构优化

Published on 2024-12-02

1. 输入文件

VASP 的输入文件为四个基本文件：INCAR、POSCAR、POTCAR、KPOINTS。

1.1 INCAR 参数设置

System = Si-film    # 系统名称，可自由定义以标识当前计算体系。

# 任务控制
ISTART = 0          # 初始态设置：
                    # 0 从头开始计算。
                    # 1 从 WAVECAR 文件读取初始波函数。
                    # 2 从 WAVECAR 和 CHGCAR 文件读取波函数和电荷密度。
ISPIN = 1           # 自旋极化选项：
                    # 1 非自旋极化（非磁性材料）。
                    # 2 自旋极化（磁性材料）。
ICHARGE = 2         # 初始电荷密度选择：
                    # 2 从 POTCAR 提供的静态电荷密度开始。
                    # 1 从头生成电荷密度。
LWAVE = .FALSE.     # 输出 WAVECAR 文件：
                    # .TRUE. 输出（存储波函数数据）。
                    # .FALSE. 不输出（节省磁盘空间）。
LCHARG = .FALSE.    # 输出 CHGCAR 文件：
                    # .TRUE. 输出（存储静态电荷密度）。
                    # .FALSE. 不输出（节省磁盘空间）。
ISYM = 0            # 对称性设置：
                    # 0 关闭对称性（含缺陷或非对称结构）。
                    # 1 或 2 保持对称操作。

# 电子弛豫
ENCUT = 500         # 平面波截断能（eV），决定计算精度和效率。
ISMEAR = 0          # 展宽方法：
                    # -5（四面体法，用于金属），0（高斯展宽，用于半导体），1 或 2（费米展宽）。
SIGMA = 0.05        # 展宽宽度（eV），推荐值：0.01 ~ 0.1。
EDIFF = 1E-08       # SCF 收敛判据：迭代间能量变化小于 1E-08 eV 时停止。
NELMIN = 6          # 最少电子迭代次数，确保基本收敛。
NELM = 300          # 最大电子迭代次数，避免迭代循环。
GGA = PE            # 泛函选择，使用 PBE（Perdew-Burke-Ernzerhof）交换关联泛函。
LREAL = .FALSE.     # 倒空间计算，提高精度但增加计算量。
ADDGRID = .TRUE.    # 启用额外 FFT 网格以提高数值精度。
ALGO = N            # 电子弛豫算法：
                    # Normal（标准模式），Fast 或 VeryFast（加速模式）。
PREC = Accurate     # 精度设置：
                    # Accurate（高精度），Normal 或 Low（用于初始测试）。

# 离子弛豫
ISIF = 2            # 晶格优化选项：
                    # 2 仅优化原子位置，固定晶格参数。
                    # 3 同时优化原子位置和晶格形状。
EDIFFG = -0.01      # 离子收敛判据：
                    # 负值基于力（eV/Å）。
                    # 正值基于能量。
IBRION = 2          # 离子弛豫算法：
                    # 2 共轭梯度法（适用于大多数优化任务）。
POTIM = 0.5         # 时间步长，控制优化速度。
NSW = 200           # 最大离子步数。

# 并行控制
NPAR = 4            # FFT 网格并行维度（推荐：总核数的平方根）。
KPAR = 2            # 并行 k 点数目（总核数应能被 NPAR × KPAR × NCORE 整除）。
NCORE = 12          # 每个任务的核数。

对于结构优化，INCAR 中的关键参数包括 IBRION、ISIF、NSW、EDIFF 和 EDIFFG。

1.1.1 常用 IBRION 设置及应用

(1) 单点能计算
(2) 结构优化
(3) 分子动力学
(4) 声子计算

a. 有限差分法 IBRION = 5, 6
使用有限差分计算声子模式：

b. 微扰理论（DFPT） IBRION = 7, 8
使用密度泛函微扰理论（DFPT）计算声子模式：

1.1.2 常用 ISIF 设置及应用

1.1.3 NSW、EDIFF 和 EDIFFG 的推荐设置

参数 功能 初始优化 高精度优化 单点计算
NSW 最大离子步数 100-200 200-500 0
EDIFF SCF 收敛（eV） 1e-05 1e-08 1e-06
EDIFFG 离子收敛（eV/Å） -0.1 -0.01 不需要

1.2 POSCAR 示例

以下为描述体相硅结构的 POSCAR 文件示例：

Si-bulk   # 系统名称，可自定义
1.0       # 全局缩放因子（可用于缩放晶格）
   5.430    0.000    0.000  # 晶格矢量 a
   0.000    5.430    0.000  # 晶格矢量 b
   0.000    0.000    5.430  # 晶格矢量 c
Si           # 原子类型
2            # 每种类型的原子数
Direct       # 坐标类型（Direct：分数坐标；Cartesian：笛卡尔坐标）
  0.000  0.000  0.000  # 原子 1 的坐标
  0.250  0.250  0.250  # 原子 2 的坐标

硅薄膜（Si-film）的 POSCAR 文件示例：

Si Thin Film                            
   1.00000000000000     
     5.4299999999999997    0.0000000000000000    0.0000000000000000
     0.0000000000000000    5.4299999999999997    0.0000000000000000
     0.0000000000000000    0.0000000000000000   20.8599999999999994
   Si
    16
Selective dynamics  # 启用选择性动力学
Direct
0.000000 0.000000 0.200000 F F F  # 三个方向均固定
0.500000 0.500000 0.200000 T T F  # z 方向固定，x 和 y 方向自由
0.500000 0.000000 0.330153 T T T  # 三个方向均自由
0.000000 0.500000 0.330153 T T T
0.250000 0.250000 0.265077 T T T
0.750000 0.750000 0.265077 T T T
0.750000 0.250000 0.395230 T T T
0.250000 0.750000 0.395230 T T T
0.000000 0.000000 0.460307 T T T
0.500000 0.500000 0.460307 T T T
0.500000 0.000000 0.590460 T T T
0.000000 0.500000 0.590460 T T T
0.250000 0.250000 0.525384 T T T
0.750000 0.750000 0.525384 T T T
0.750000 0.250000 0.655537 T T T
0.250000 0.750000 0.655537 T T T

1.3 KPOINTS 文件

(1) Monkhorst-Pack 网格

Monkhorst-Pack 网格为周期性晶体计算提供均匀的 k 点分布。

Automatic k-point generation   # 自动 k 点生成方法（注释）
0                              # 忽略总 k 点数，使用自动生成
Monkhorst-Pack                 # 选择 Monkhorst-Pack 网格
4 4 4                          # x、y、z 方向的网格密度
0 0 0                          # 无网格偏移

适用场景：周期性晶体、优化、态密度计算和电子结构分析。

(2) Gamma 网格

Gamma 网格将 k 点网格以 Gamma 点为中心，适用于小晶格或非对称晶格。

Automatic k-point generation   # 自动 k 点生成方法（注释）
0                              # 忽略总 k 点数，使用自动生成
Gamma                          # 选择 Gamma 中心网格
4 4 4                          # x、y、z 方向的网格密度
0 0 0                          # 无网格偏移

适用场景：小体系、非对称晶格或快速优化计算。

1.4 POTCAR 文件使用

POTCAR 包含描述系统中原子性质所需的赝势信息。

VASP 提供多种类型的赝势：

生成 POTCAR 文件：

对于含 Si 和 H 原子的系统，拼接赝势文件：

cat /POT_GGA_PAW/POTCAR_Si /POT_GGA_PAW/POTCAR_H > POTCAR

2. 输出文件

2.1 CONTCAR 文件

内容：优化后的晶体结构，包括更新后的原子坐标和晶格参数。 格式：与 POSCAR 相同，可直接作为进一步计算的输入。 用途：

2.2 OSZICAR 文件

内容：

用途：

2.3 OUTCAR 文件

内容：

用途：

2.4 XDATCAR 文件

内容：

用途：

2.5 vasprun.xml 文件

内容：XML 格式的全部计算数据记录，适合解析和后处理。

用途：

3. 优化流程与收敛判据

3.1 优化流程

  1. 结构初始化：
    • 初始结构通过 POSCAR 文件提供。
    • 使用 POTCAR、KPOINTS 和 INCAR 文件配置优化条件。
  2. 逐步优化：
    • 每次离子优化步后，重新计算系统的总能量、原子力和晶格应力。
    • 优化持续至满足收敛判据（如 EDIFFG）或达到最大步数（NSW）。
  3. 结构更新：
    • 每个优化步的中间结果存储在 XDATCAR 文件中。
    • 优化后的最终结构保存在 CONTCAR 文件中。

3.2 收敛判据

可通过以下方法判断优化过程的收敛性：

  1. OUTCAR 文件：
    • 检查每个原子上的力是否小于 EDIFFG 。
    • 验证总能量变化是否小于 EDIFF。
  2. OSZICAR 文件：
    • 查看 SCF 迭代中的能量变化（E0 和 dE）。
    • 判断 SCF 过程是否已稳定收敛。
  3. CONTCAR 文件：
    • 提取最终优化后的原子位置和晶格参数。
    • 若未收敛，CONTCAR 文件包含最后一步的结构。
  4. 使用工具：
    • 使用 pymatgen 或 ASE 等工具解析 vasprun.xml 文件并评估收敛性。

3.3 常见问题与解决方案

3.3.1 SCF 不收敛

问题：SCF 迭代出现能量振荡或发散。

可能原因：

解决方案：

3.3.2 优化不收敛

问题：优化达到最大步数（NSW）但未满足力或能量的收敛判据。

可能原因：

解决方案：

3.3.3 优化中出现振荡

问题：优化过程中能量和力反复振荡，无法稳定收敛。

可能原因：

解决方案：

3.3.4 优化中出现发散

问题：优化过程中结构严重变形，导致能量大幅增加。

可能原因：

解决方案：