VASP自洽计算原理

VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）是一款基于密度泛函理论（DFT）的量子力学模拟软件，广泛应用于材料科学、化学、物理学等领域。其核心计算方法之一是自洽场（Self-Consistent Field, SCF）算法，解决Kohn-Sham方程，该算法通过迭代计算电子波函数和密度，直到系统达到自洽状态。

自洽计算是VASP计算中最基础也是最重要的步骤，其目的是找到电子波函数和相应的总能量，使得电子在晶胞中的分布达到自洽。自洽计算通常包括电荷密度的初始化、波函数的迭代优化以及能量和力的计算。

准备工作

VASP计算需要准备超算连接软件EASYCONNECT与SSH，建模软件VESTA，超算连接软件Winscp

VESTA软件下载链接

jp-minerals.org/vesta/en/download.html

EASYCONNCT软件下载链接

EasyConnect下载-EasyConnect最新版下载V7.6.7.0

Winscp软件下载链接

Downloading WinSCP-6.5.3-Setup.exe :: WinSCP

VASP输入参数说明

INCAR文件：

ISTART=0 #开始新的任务,随机产生初始波函数

ICHARG=2 #开始新的任务,从原子电荷密度产生体系初始电荷密度

PREC=M #计算精度，决定ENCUT

ISPIN=2 #打开自旋极化

ALGO=N #确定电子优化的算法

NELM=60 #电子波函数最多计算60步

EDIFF=1E-5 #相邻两步电子迭代的能量差收敛标准

ENCUT=400 #平面波截断能400 eV

IVDW=11 #考虑范德华力修正

IBRION=-1 #固定结构、自洽计算

NSW=0 #离子弛豫的步数

ISIF=2 #固定晶格优化原子坐标

EDIFFG=-0.1 #离子弛豫的force的收敛标准

ISMEAR=0 #费米能级附近电子占据数为高斯分布，适合金属、半导体、绝缘体

SIGMA=0.1 #高斯分布展宽0.1 eV

LAECHG=.T. #计算Bader电荷

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

pt001吸附H Bader密度计算

第一步，进入pt计算文件夹

cd crystal/pt

将结构优化h文件夹复制成自洽计算hs文件夹

cp -r h hs

进入hs文件夹

cd hs

把 CONTCAR 复制成POSCAR

cp CONTCAR POSCAR

第二步，修改结构优化的 INCAR 文件

修改 INCAR 文件，让VASP执行自洽计算，修改IBRION=-1、NSW=0、LAECHG=.T.

vi INCAR

第三步，提交自洽计算

sbatch JOB

使用 squeue 命令来看任务队列，已清空。

计算完成后查看输出文件output

cat output

第四步，chgsum.pl和bader脚本处理数据

首先进行电荷求和

chgsum.pl AECCAR0 AECCAR2

然后计算Bader电荷

bader CHGCAR -ref CHGCAR_sum

Bader电荷结果在ACF.dat文件中的CHARGE一列

总结

今天华算科技朱老师给大家介绍Pt001 面吸附H Bader电荷计算。Bader电荷是用来分析电子转移情况，之前有讲过一期差分电荷的计算，它是看空间电荷云的重新分布，但是不能输出具体电子转移数，这个可以通过Bader电荷来补充。Bader电荷计算是一次自洽计算，然后多一个标签就可以。那么之前的结构优化已经做好了，是这个 h 文件夹，把这个 h 变成hs，进到hs 里面，把CONTCAR 变成POSCAR，这是自洽计算所必须的。然后 INCAR 中把 IBRION 改成-1， NSW 改成0，这就是常规的自洽计算。

那么对于Bader电荷还需要加一个LAECHG=.T. 输出一些原子芯部和价电子的信息，可以用Bader脚本进行处理，其他参数不用修改，保存提交任务。这些就是刚才说的芯部电子和价电子输出的一些信息，这个地方就是常规的自洽计算，它算完之后还会输出一些电荷的一些数字，最后它会汇总到几个文件中，就处理那几个文件就可以。现在自洽计算已经完成了，算完之后它会输出这AECCAER0、AECCAR 1、AECCAR2 三个文件。

用两个脚本，第一个叫 chgsum.pl，后面接这个 AECCAR0 和 AECCAR2，就是把 0 和 2 的电荷信息加起来，其中 0 是芯部电子， 2 是价电子的，得到一个总电子的分布情况，加完之后得到一个CHGCAR_sum。然后下一个命令就是bader CHGCAR -ref 读取电荷文件，接下来再是CHGCAR_sum来处理这个原子的电子情况，也就是bader电荷。

算完之后主要的结果在这个 ACF.data 里面，来看一下，得到这样一张表格，其中第一列是原子编号 1 ~ 5，这里 XYZ 是原子坐标，那么bader电荷就是这个 CHARGE 一列，后面是它的电荷分布的一些结构信息，可以不管它。仔细看一下Pt的电子数，第一个是10.01，然后这个第二个是小一点，第三个大一点，第四个和第一个差不多，这个第五个是hh原子0.96，看一下这个模型，h原子是吸附在第三个Pt原子上方的。

第三个Pt原子10.03这个数，和其他的铂原子相比，它的电子数是增加的，虽然增加的不多，只有 0.02 左右，那H也就少了0.04-0.03。说明几个问题，第一个，Pt和H之间电子转移数很弱，这个作用是一种共价作用，可以回看一下之前的视频，它们电荷可以看到化学键上是有很多的电荷分布的。第二个Pt的电负性是略高于氢，越往下的 3d 金属、 4d、5d 金属，它的电负性其实不低的，而不像这个sp金属、锂、钠、钾这些，这个基本上是失电子的，过度金属它甚至有的时候会得电子，但是得的也不会太多，这个就是bader分析能得到的一些结论，电子转移、方向、数值以及价键的一些性质。