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

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电荷密度计算

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

vi INCAR

第三步，提交自洽计算

sbatch JOB

计算完成后查看输出文件output

cat output

第四步，用VESTA读取输出文件CHGCAR并绘制电荷密度图

算完之后下载输出的CHGCAR文件。进到刚才自洽计算的文件夹 crystal/pt/hs,下载CHGCAR

用 VESTA 打开CHGCAR，给结构图做一个简单的修饰，加上化学键，即可得到电荷密度分布。

总结

今天华算科技朱老师给大家介绍Pt001 面吸附氢电荷密度计算，在之前已经做了Pt吸附H的结构优化计算。来到超算上，结构优化是 h 文件夹，那么自洽计算或者是电荷计算就是把 h 复制成另一个hs, 进到里面，首先第一步把 CONTCAR变成POSCAR，结构保留，第二步修改INCAR。自洽计算需要把这 IBRION 改成-1， NSW 改成0，然后这里ISTART和ICHARG可以读取波函数和电荷密度，也可以不读取，不读取就是现在这样 0、2 的组合，读取的话就是这两个设置为1，读取有助于计算加速和收敛，那这里就读取，然后提交任务。

算完之后去把这个自洽计算的电荷文件下载下来看一下。hs 中的CHGCAR，然后用 VESTA 打开 CHGCAR，可以看到大概是这个样子，那把边界略微改一下，把晶胞往两端略微延长一些，这样就可以把电荷云显示的完整一点。可以看到铂的电荷几乎是球形的，然后H由于原子半径比较小，所以它的电荷的空间范围也比较小，然后中间Pt和H之间有一点像共价键一样的电荷分布，当然它也有一点极化现象，因为两端的电负性是不一样的，那么这个就能够反映出Pt、H之间是一种偏共价性的作用。

如果说是离子性作用的话，那这是一个球，上面是一个球，中间是几乎没有电子，那么Pt的电子云为什么那么大呢？那是由于Pt的价电子比较多，它的d电子比较多，而H只有一个电子，所以相对来说这个范围是不一样，那么通过这个就可以看得出它局部相互作用之后成键的一个情况。