能带结构计算应用案例

能带结构（band structure）是凝聚态物理、材料科学和量子力学中的一个重要概念，用于描述系统中能量间隔内的微观状态数。它在计算材料的电子结构、光学性质、催化性质等方面具有重要意义。华算科技朱老师将详细介绍二维材料石墨烯能带结构计算步骤和数据处理方法。

首先通过晶体结构数据库下载层状材料石墨的cif文件，并生成POSCAR文件，然后去掉一层C原子，获得石墨烯结构，如下图所示。

然后编写结构优化的INCAR和KPOINTS文件。

INCAR文件：

ISTART=0 #随机产生初始波函数

ICHARG=2 #从原子电荷密度产生体系初始电荷密度

PREC=M #计算精度为Medium

ISPIN=1 #关闭自旋极化

ALGO=N #DAV算法优化电子波函数

NELM=60 #电子波函数最多计算60步

EDIFF=1E-5 #电子波函数能量收敛标准1E-5 eV

ENCUT=400 #平面波截断能400 eV

IVDW=11 #考虑范德华力修正

IBRION=2 #共轭梯度法优化晶体结构和原子坐标

NSW=100 #晶体结构和原子坐标优化步数最大100步

ISIF=3 #优化原子坐标和晶体结构

EDIFFG=-0.1 #原子残余力小于0.1 eV/A

ISMEAR=0 #费米能级附近电子占据数为高斯分布

SIGMA=0.1 #高斯分布展宽0.1 eV

KPOINTS文件：

Automatic generation #注释行

0 #自动产生K点网格

G #布里渊区K点网格以Gamma点为中心

6 6 1 #K点网格密度

0 0 0 #K点网格中心平移矢量

自洽计算

完成结构优化计算后，保持KPOINTS，POTCAR文件不变，将CONTCAR文件复制成POSCAR文件，并对结构优化的INCAR文件作如下修改：

IBRION=-1 #固定结构和原子位置保持不变

NSW=0 #仅作一步自洽计算

非自洽计算

完成自洽计算后，保持POTCAR，POSCAR文件不变，将自洽计算的CHGCAR，WAVECAR保留下来，并对自洽计算的INCAR和KPOINTS文件作如下修改：

INCAR文件：

ISTART=1 #读取波函数

ICHARG=11 #读取电荷密度且保持不变

KPOINTS文件：

k-points along high symmetry lines #注释行

10 #高对称性K点间插值点个数

Line-mode #直线模式

Reciprocal #倒空间模式

0 0 0 #高对称性K点1

0.333333 0.333333 0 #高对称性K点2

0.0 0.5 0.0 #高对称性K点3

….

数据处理

完成能带结构计算后，下载OUTCAR文件，并用vaspview软件打开，可获得不同自旋方向的能带结构图和带隙信息。

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