VASP教程｜计算金属表面功函数

表面功函数（Work Function）是表征材料电子逸出能力的关键参数，在电催化、场发射器件、光电子能谱等领域至关重要。本文将详解基于电催化计算金属表面功函数的全流程(VASP软件)，涵盖模型构建、参数设置、静电势提取及误差分析，确保计算结果可靠！

一、功函数基础

1. 定义与公式

功函数（Φ）为真空能级（Vacuum Level）与材料费米能级（Fermi Level）的差值：
Φ = E_vacuum – E_Fermi

· E_vacuum：真空区域静电势的平均值

· E_Fermi：计算输出的费米能级（可从OUTCAR获取）

2. 计算核心步骤

1. 构建表面模型（Slab）

2. 结构优化（收敛离子位置）

3. 静态计算获取静电势（LOCPOT文件）

4. 提取真空能级和费米能级

二、分步计算流程

步骤1：构建表面模型

关键要求：

· 沿特定晶面（如(111)、(100)）切割块体结构

· 添加足够真空层（通常≥15 Å）

· 固定底部2-3层原子进行结构优化（模拟块体环境）

操作示例（以fcc Cu(111）为例：

1. 使用Materials Studio/VESTA生成表面结构

2. 沿z轴方向添加真空层

3. 用以下命令固定底层原子（POSCAR）：

# POSCAR中原子坐标部分（Selective Dynamics）

Cu-slab

1.0

2.5560.0000.000

0.0004.4280.000

0.0000.00025.000  # 包含真空层

Cu

4

Selective Dynamics

Direct

0.0000.0000.100FFF  # 底层原子（固定）

0.3330.3330.200TTT  # 表面原子（可移动）

...（其他原子）

步骤2：结构优化

目标：优化表面原子位置，固定底层原子
INCAR关键参数：

PREC = Accurate

EDIFF = 1E-5       # 电子步收敛标准

EDIFFG =-0.02     # 离子步收敛标准（力）

IBRION =2         # 准牛顿算法优化

NSW =100          # 最大离子步数

ISIF =2           # 仅优化原子位置（晶胞固定）

注意事项：

· 检查OSZICAR中的收敛标志（reached required accuracy）

· 优化后保存CONTCAR为后续计算的POSCAR

步骤3：静态计算与静电势输出

目标：生成静电势数据文件LOCPOT
INCAR参数：

PREC = Accurate

NSW =0            # 关闭离子弛豫

ICHARG =1         # 从初始电荷密度开始

LVHAR = .TRUE.     # 必须开启静电势输出

LAECHG = .TRUE.    # 输出全电子电荷密度（可选）

NEDOS =2000       # 高精度DOS计算（可选）

执行流程：

1. 将优化后的CONTCAR复制为POSCAR

2. 运行VASP计算

3. 检查输出文件：确保生成LOCPOT

步骤4：提取真空能级与费米能级

核心操作：分析LOCPOT中的静电势分布
推荐工具：VASP View（华算科技官网免费下载）

操作步骤：

1. 点击静电势按钮导入LOCPOT文件；

2. 获取费米能级E_Fermi：

grep‘E-fermi’ OUTCAR

计算功函数：
Φ = E_vacuum – E_Fermi = 6.37 eV – 1.75 eV = 4.62 eV → 取绝对值Φ=4.62 eV

三、关键注意事项

1. 真空层厚度验证

o 真空层需足够厚，使静电势在中间区域形成平台（至少15 Å）

o 若未出现平台，需增大真空层重新计算

2. 表面偶极校正

o 若表面存在净偶极矩（如不对称吸附），需设置LDIPOL = .TRUE.和IDIPOL = 3

3. K点设置

o 表面模型在x-y平面需高密度K点（如10×10×1）

四、常见问题FAQ

Q1：计算结果与实验值偏差较大？

· 可能原因：表面模型层数不足（建议≥4层）、未考虑温度效应或表面重构

Q2：如何选择晶面方向？

· 不同晶面（如(100)/(111)）功函数不同，需根据实验需求构建对应模型

Q3：静电势曲线震荡严重？

· 增大NGZ（沿z轴的FFT网格）或使用PREC = High提高精度