《VASP实用教程》第一弹:VASP简介及计算前期准备工作

本文为华算科技撰写的《VASP实用教程》第1篇,全系列约60篇,将在近期陆续更新。本教程主要是为了帮助各位刚刚接触VASP并且还没有入门的朋友快速入门,少走弯路。

随后朱老师将推出《VASP入门手册》,约200篇,旨在帮助完全没有基础的同学,从最简单的内容开始,入门VASP理论计算。

VASP视频学习资料,可以关注朱老师B站:https://space.bilibili.com/1690382481

《VASP实用教程》第一弹:VASP简介及计算前期准备工作

VASP(Vienna Ab-inito Simulation Package)作为目前最流行的计算软件之一,在科研界用户甚广,大势所趋,高水平的文章需要理论计算来助力,更多的科研工作者选择功能强大,性能稳定VASP软件来进行材料模拟以及预测材料的电子性质,每年有近万篇使用了VASP计算软件的文章发表在国际核心期刊上(诸如Science、Nature、JACS、Angew.Chem.等)。

VASP这么受科研人员青睐主要还是因为其拥有较高的计算效率,VASP是目前做固体材料第一性原理计算效率最高的商用软件之一,可以使用较小的内存就能实现大规模的高效率并行计算并且VASP能够实现大规模的高效率并行计算,支持多核多节点并行计算,对核数和节点数均没有限制,支持单用户多用户同时使用。

本教程主要是为了帮助各位刚刚接触VASP并且还没有入门的朋友快速入门,少走弯路,笔者在学习VASP的时候比较艰难,初期没有人带,主要是从网上查找一些教程,但是网上的教程比较零散,而且每个人写的教程都不相同,对于初学者来讲很难分辨对错,这样的结果就导致尝试了很多都没有得到好的结果,容易产生负面情绪,丧失信心。同时有些教程写的又过于深入,不适合初学者学习,因此,笔者决心自己写一份针对于初学者的教程,帮助大家避开VASP学习雷区,顺利入门VASP。下面先简单的介绍一下VASP软件的基本原理以及一些重要参数的含义。

  • 基本原理

VASP是一款基于第一性原理的软件包,基本原理就是近似求解薛定谔方程,进而得到体系的电子态和能量。VASP是基于赝势平面波基组的密度泛函理论(DensityFunctional Theory,DFT)的程序,通过VASP进行模拟计算的过程就是在DFT框架内求解Kohn-Sham方程。

VASP采用赝势平面波的方法,即采用赝势近似的模拟原子实势场,以平面波为基组,将单电子波函数表示为平面波叠加形式,平面波基组不需要进行BSSE校正。VASP采用投影缀加波贋势(Projector Augmented Wave,PAW),用来近似地处理原子电子间相互作用。VASP软件支持多种基于局域密度近似(LDA)与广义梯度近似(GGA)两种方法的混合泛函,以及由DFT的交换作用能和Hartree-Fock(HF)中的精确交换作用能按一定比例结合形成的杂化泛函(hybrid functional)。杂化泛函在后面的精确计算材料的禁带宽度章节会用到。

通过VASP软件进行模拟计算主要包括几何结构优化和静态计算两个部分,几何结构优化主要是采用周期性边界条件, 基于密度泛函理论对原子、分子、表面、团簇等多种体系进行几何结构优化得到稳定构型,进而获得各种结构参数,包括稳定构型的晶格常数、各原子的位置、原子间的键长和键角。而静态计算是指在几何结构优化的基础之上,以更高的精度计算优化后的体系的能量,并且计算该结构的各种性质。

  • 准备工作

通过VASP软件提交计算任务时,我们需要准备四个输入文件,即INCAR,KPOINTS,POSCAR,POTCAR。INCAR文件是用来设置计算参数的文件。KPOINTS是K点定义文件,记录了倒空间的取样的方法。POSCAR是构型描述文件,主要包括平移矢量、原子类型和数目、以及原子坐标。POTCAR是个原子的赝势定义文件,记录了所需要的赝势,这里需要注意的是,赝势的种类和顺序都必须和POSCAR中原子种类和顺序一致。

通过VASP进行理论计算时,我们需要通过一些其他软件进行辅助。首先说准备结构文件需要的软件,笔者在这里推荐Material Studio(MS),MS是一款商业软件,网上有很多安装教程,大家自行检索下载安装。

《VASP实用教程》第一弹:VASP简介及计算前期准备工作

MS软件欢迎界面

通过MS可以很方便的进行建模,包括一维、二维和三维结构。具体的建模方法我们再后期的POSCAR文件准备的章节再给大家演示。POSCAR文件需要通过VESTA文件生成,VESTA是一款优秀的免费的可视化软件,我们需要通过VESTA将用MS软件建模后生成的cif文件转化成POSCAR,具体操作都将在后面的教程里给出。

《VASP实用教程》第一弹:VASP简介及计算前期准备工作

VESTA软件

同时建议大家安装p4vasp软件,Windows和Linux系统都可以安装p4vasp软件,p4vasp包是一组用于处理XML格式的VASP的输出(即vasprun.xml文件)的工具,可以通过p4vasp绘制能带图和态密度图,以及模拟STM图像。INCAR文件、KPOINTS文件以及POTCAR文件都可以通过一些免费的小工具生成,比如VASPKIT和qvasp。

VASP计算所用的输入文件必须是没有后缀的文本文件,推荐大家在Windows系统下使用Sublime Text编辑器编辑输入文件,Atom和VS Code也是很好的选择,主要看自己的习惯和喜好。如果VASP输入文件在Windows下用记事本或者写字板编辑过,需要在Linux系统下执行dos2unix命令将文件转化成Linux文件格式,避免计算过程中出现错误。Linux系统下需要掌握Vim编辑器的用法。

  • 其他问题

关于VASP软件编译问题,网上有很多教程,大家自行编译,后期朱老师也会出相关的文字和视频教程。

文中提到的软件下载链接如下:

VESTA:

http://jp-minerals.org/vesta/en/

p4vasp:

http://www.p4vasp.at/

VASPKIT:

http://vaspkit.sourceforge.net/

qvasp:

https://sourceforge.net/projects/qvasp/

Sublime Text:

https://www.sublimetext.com/ (sublime text2 以前是免费的,sublimetext3以后是版权收费的,但不是强制收费。)

Atom:

https://www.atom.io/

VS Code:

https://code.visualstudio.com/

(文章主要参考大师兄科研网、侯柱峰老师的教程以及笔者师兄所写教程)

VASP课程

得益于理论计算化学的快速发展,计算模拟在纳米材料研究中的运用日益广泛而深入。科研领域已经逐步形成了“精准制备-理论模拟-先进表征”的研究模式,而正是这种实验和计算模拟的联合佐证,更加增添了论文的可靠性和严谨性,往往能够得到更广泛的认可。
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为了让广大科研人员能够尽快上手VASP,由华算科技朱老师(IP:朱参谋长)原创设计了VASP系列课程,分别是:
VASP计算零基础入门培训:晶体结构、电子、弹性、光学、磁性、电池、催化性质计算
VASP吸附与催化计算培训:HER、OER/ORR、NRR、CO2RR、表面性质,吸附能、差分电荷密度等
VASP二维材料计算专题培训:二维/一维/异质结的结构、缺陷、电子、电池、吸附与催化性质计算
VASP半导体/缺陷计算培训:电荷密度、态密度、能带结构、缺陷形成能、转变能级、扩散路径与势垒、吸附能、结合能、差分电荷密度
VASP电池计算专题培训:Li离子电池/燃料电池/电位/容量/离子扩散/析氢反应/氧还原反应/自由能/过电位

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