VASP表面计算步骤小结

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一、概述

      vasp用“slab” 模型来模拟表面体系结构。
      vasp计算表面的大概步骤是：
      材料体性质的计算；表面模型的构造；表面结构的优化；表面性质的计算。
二、分步介绍
    1、材料体性质计算：
      本步是为了确定表面计算时所需的一些重要参数：ENCUT、SIGMA、晶格参数。
      在计算前，要明确：何种PP；ENCUT；KPOINTS ;SIGMA;PREC;EX-CO，这其实是准备proper input files。
    a. 何种PP
     选择的PP能使计算得到的单个原子能量值在1meV~10meV之间。                                  
     所求得的单原子能量（对称性破缺时）可用来提高结合能的精度。
    b. ENCUT                                                                                                                          
     选择的ENCUT应使得总能变化在0.001eV左右为宜。
    注意：试探值最小为POTCAR中的ENMAX（多个时，取最大的），递增间隔50；
               另外，在进行变体积的结构优化时，最好保证ENCUT＝1.3ENMAX，以得到合理精度。
    c. PREC                                                                                                                          
     控制计算精度的最重要参数，决定了（未指定时）ENCUT、FFT网格、ROPT取值。
     一般计算取NORMAL；当要提高Stress tensor计算精度时，HIGH 或ACCURATE，并手动设置ENCUT。
    d. EDIFF ＆ EDIFFG                                                                                                        
    EDIFF 判断电子结构部分自恰迭代时自恰与否，一般取默认值＝1E－4；
    EDIFFG 控制离子部分驰豫
    e. ISTART ＆ ICHARGE                                                                                                   
    ISTART = 1, ICHARG = 11：能带结构、电子态密度计算时；
    ISTART =0, ICHARG = 2：其余计算
    ISTART = 1，ICHARG = 1（其他所有不改变）：断点后续算设置
    f. GGA & VOSKOWN                                                                                                      
    GGA＝91：        Perdew -Wang 91；
    GGA＝PE： Perdew-Burke-Ernzerhof
    VOSKOWN＝1（ GGA＝91时）；VOSKOWN＝默认（其余情况）
   g. ISIF                                                                                                                                
   控制结构参数之优化。在对原胞进行变形状或者体积的优化时，ENCUT要取大（比如1.3ENMAX或PREC＝HIGH）,以消除Pulay Stress导致的误差。
   h. ISMEAR & SIGMA                                                                                                            
   进行任何静态计算时，且K点数目大于4，ISMEAR＝－5；
   当原胞太大，导致K点数目小于4时，ISMEAR = 0，并且要设置一个SIGMA；
    对绝缘体和半导体，不论是静态计算还是结构优化，ISMEAR = -5；
    对金属体系，SMEAR=1和 2，并且设置一个SIGMA；
    能带结构计算，用默认值：ISMEAR＝1，SIGMA＝0.2；
    一般来说，对于任何体系，任何计算，采用ISMEAR＝0，并选择合适的SIGMA都会得到合理结果。
   选择的SIGMA应使得entropy T*S EENTRO 绝对值最小。K 点数目变化后，SIGMA需再优化。
  i.  RWIGS                                                                                                                             
   一般取POTCAR中以A为单问的RWIGS值。                                                                              
  j. K points                                                                                                                          
    选择的K点应使得总能变化在0.001eV左右即可。
  k. 一些重要的参数在默认下的值NSW =0，IBRION＝－1，ISIF＝2：静态计算。
                                                                                  <二>
  a. 体材料结合能修正。                                                                                                         
  在OUTCAR中energy without entropy之后的那个能量值，就是修正值
  b. 结构参数优化。                                                                                                                     简单情况（没有内部自由度如晶胞形状、原子位置）：静态计算，得出E～V关系，然后用Birch-Murnaghan状态方程拟合。
      复杂情况：
总思路是先“建立好房子”，再“放好桌子”。
  先算一步结构优化（取ISIF＝5，只改变“房子”形貌，房间大小不变，家具不予考虑），接着算一步静态自恰计算，从而得到某结构参数下的能量，如此循环得到E～V关系。用状态方程拟合得到平衡体积。
   在该体积下，重复1（取ISIF＝2,房子造好后，考虑的是如何放家具。此处一般是使得每个家具受力达到某中小即可认为达到稳定结构）、2两步，便得到了所有的晶格参数值，如离子坐标。
 
  c.  VASP得到的总能即是结合能，不过还要减去前面得到的修正值。
  d. 自恰的电荷密度                                                                                                           
  优化得到晶格参数后，再进行静态的自恰计算，就得到了自恰的电荷密度。
  此时的POSCAR为从优化晶格参数时可CONTCAR得到。
   KPOINTS 不变
  典型的INCAR设置是：
ENCUT = 250
ISTART = 0; ICHARG = 2
ISMEAR = -5
PREC = Accurate
       计算完后，注意保存相关结果。
最后，进行面电荷密度分析。
 e.  能带结构计算                                                                                                                   
  这是在自恰计算完成后的非自恰计算：
  准备好产生K 点的syml文件；
  用gk.x产生KPOINTS；
  将前面静态自恰得到的chg.tgz解压缩；
  设置INCAR，注意NBANDS
  进行非自恰静态计算。得到EIGENVAL文件。
   修改syml，然后用pbnd.x把EIGENVAL转换成bnd.dat 和 highk.dat 。再用origin画图。
 f.  电子态密度                                                                                                               
    这也是在自恰完成后的非自恰静态计算：
   准备好K点，增加网络；
   准备好INCAR，注意RWIGS取值；
   利用自恰得到的电荷密度，进行非自恰的静态计算；
   得到DOSCAR；
    利用split_dos对DOSCAR进行分割。
   2、slab模型的构造                                                                                                                
构建slab模型的要素：体材料的晶格参数；表面特征（米勒指数、二维周期性）；真空层以及原子层厚度。
其中二维周期性的选择，对于bared surface，应当取不同的值，以考察是不是有重构现象；而对于有缺陷的，则依据要考察的缺陷浓度选择。
厚度的选取，是依据不同厚度对总能的影响来决定的。
   3、表面体系的结构优化                                                                                                        
  在这个优化之前，还要对K－mesh进行优化。
  表面体系的优化，主要是对原子位置进行优化，而对超原胞不再优化。一般采用的是Selective Dynamic。
这是在POSCAR中设置的。
  怎样确定该驰豫哪些原子？                                                  
  一般是应该将表面的几层放开，固定中间的几层，可以只是放开表面的两层，观察层间距变化，如果固定的层之间还有较大的移位，说明弛豫的层数太少，需要增大弛豫的层数。
这样继续作下去。直到 层间距变化不大 。
再层间距变化不大的前提下，尽量减少层数，以节约时间。
即便是再固定的层内的原子在固定方向上的受很大的力，但是受限于 F 的限制，被强制的规定在某一层上。

4、表面体系性质的计算                                                                                                      
在优化后的结构基础之上就可以计算相关性质了。步骤与体材料性质计算一样。

重要提示：
   不论是体材料还是表面计算，在结构优化完后，应当继续进行一下静态计算以得到自恰的电荷密度，再进行后面的性质计算。结构优化完后所得的电荷密度文件不可用。