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vasp计算流程-结构优化

2018-01-23
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VASP主要计算流程:结构优化、静态自洽、非自洽计算
结构优化后，记得cp CONTCAR POSCAR

参考

VASP 结构优化、静态自洽、非自洽计算

结构优化

结构优化后，记得cp CONTCAR POSCAR

说明

结构优化是指对整个输入体系的坐标进行调整，得到一个相对稳定的基态结构,因此可以得到体系的总能量、晶体结构参数.
结构优化分离子优化和电子优化两个嵌套的过程，优化的过程输出到OSZICAR文件,如下,DAV: n是电子优化嵌套在n F= ...离子优化中

       N       E                     dE             d eps       ncg     rms          rms(c)
DAV:   1     0.792799315692E+02    0.79280E+02   -0.34288E+03    64   0.507E+02
...省略
DAV:  21     0.264558511708E+00    0.53910E-04   -0.16164E-07    24   0.401E-03
   1 F= 0.26455851E+00 E0= 0.26435292E+00  d E =0.264559E+00  mag=     2.0000
       N       E                     dE             d eps       ncg     rms          rms(c)
DAV:   1     0.143272113174E+03    0.14301E+03   -0.50023E+03    64   0.387E+02    0.379E+01
省略

优化后晶格参数和原子位置等结果输出到CONTCAR文件(格式同POSCAR),结构优化完成后，cp CONTCAR POSCAR进行下一步的静态自洽计算，对电子结构做进一步调整

结构优化的参数：

参数的详细内容参考VASP输入文件总结和官方manual

通用参数

  • SYSTEM=注释
  • ISTART=0 ICHARGE=2
  • ISMEAR SIGMA(与结构，K点有关)
    结构优化时不能使用ISMEAR=-5
  • ISPIN(与体系有关?可以不设置) MAGMOM(可选)
  • ENCUT多个结构进行对比时,需要统一ENCUT
  • PREC等PREC=Accurate

IBRION

  • IBRION=2：共轭梯度算法(CG)，一般来说都用它
    CG方法慢一些，找到全局最小的可能性也要大一些。
  • IBRION=1：准牛顿方法(quasi-Newton RMM-DIIS),用于小范围内稳定结构的搜索
    准牛顿方法计算速度较快，适合于初始结构与平衡结构(势能面上全局最小值)比较接近的情况
  • IBRION其他取值用于其他计算

EDIFF EDIFFG NELM NSW ISIF

  • EDIFF电子收敛标准
    1E-4或者1E-5即可
  • EDIFFG原子收敛标准
    力作为收敛标准:EDIFFG为负,一般-0.01到-0.05之间 (最近看的单层二维材料CoBr2,使用-1E-3)
    能量作为标准:EDIFFG 为正,一般0.001-0.0001
  • NELM电子优化(SCF)最大计算步数(默认60)
  • NELMIN电子优化的最小步数。默认为2，一般不设置
  • NSW离子优化最大步数,默认0(不优化),必须设置
  • POTIM调整离子位置移动的大小,默认0.5,需要设置
  • NFREE确定每个方向和离子使用多少个位移
    (计算频率使用,优化结构无需设置?)
  • ISIF控制离子运动中晶胞的变化情况
    IBRION=0时默认0,其他情况默认2，常用2,3
    我在计算二维材料时使用ISIF=3后，真空层变薄了，后期自恰计算的磁矩也和师兄的有差异，使用ISIF=2或者不结构优化直接自恰计算则和师兄的结果一样
    小木虫.vasp 2维材料优化问题中前田庆次提到:二维材料不能ISIF=3,只能=2
    Is ISIF =2 or ISIF =3 in INCAR more appropriate for when I try to optimize a new 2D material in vasp?Muhammad Zulfiqar:For 2D materials, it is recommended to use ISIF=4. For Bulk ISIF is taken as 3. ISIF= 2 is taken by default for material under stress
    学术之友公众号.二维材料优化有人用isif=2，也有人用isif=4。也可以把源程序src目录下的constr_cell_relax.F文件修改下（网上有很多教程），然后用isif=3
    修改constr_cell_relax.F只适用于正交晶胞就没有尝试，我之后使用二维CoCl2测试ISIF时，1x1和2x2的超胞&ISIF=2，1x1&ISIF=4接近结果，2x2超胞&ISIF=4结果与ISIF=3一样与结果差异大，猜想结构优化用1x1晶胞ISIF=4(如果这个单胞复杂了，结果还对吗?),暂时先使用ISIF=2,然后使用不同的晶格参数计算EOS(Equation of state状态方程，常用Birch-Murnaghan状态方程)，最后拟合找到能量最低的晶格参数，下学期去问问师兄如何处理

参数是互相联系的,比如精度大了,优化步数肯定就要增加
初始时结构不合理,原子距离太近,POTIM就要设置的小一些，不然很难收敛

分析

收敛性主要影响因素：初始结构的合理性和弛豫参数的设置 结构优化分电子迭代和离子弛豫两个嵌套的过程。

  • 电子迭代自洽的速度，主要影响因素：初始结构的合理性，k点密度，截断能,是否考虑自旋和高斯展宽（SIGMA）；
  • 离子弛豫的收敛速度，主要影响因素：弛豫方法（IBRION）,步长（POTIM）和收敛判据（EDIFFG）

初始结构设置

从文献，materialsproject等平台使用MS,VESTA等工具设置
可以先在小体系上测试，然后再放到大体系中算。

弛豫参数设置

参考VASP 结构优化、静态自洽、非自洽计算

  • 初始结构不太合理，一开始采用很粗糙的优化（EDIFF=1E-3，EDIFFG= -0.2），很低的K点密度(Gamma)，不考虑自旋就可以了，这样NSW<60的设置就比较好。其它参数可以默认。经过第一轮优化，就可以进入下一步细致的优化了。
    EDIFF=1E-4,EDIFFG=-0.05，不考虑自旋，IBRION=2，其它默认，NSW=100;跑完后可以设置IBRION = 1，减小OPTIM（默认为0.5，可以设置0.2）继续优化。
  • 优化的时候让它自己闷头跑是不对的，经常看看中间过程，根据情况调节优化参数是可以很好的提高优化速度。这个时候，提交两个以上的任务排队是好的方式，一个在调整的时候，下一个可以接着运行
  • 如果电子步不能在40步内收敛，要么是参数设置的问题，要么是初始模型太糟糕
  • 静态自洽过程电子步不收敛一般是参数设置有问题。这个时候，改变迭代算法（ALGO），提高高斯展宽（SIGMA增加）,设置自洽延迟（NELMDL）都是不错的方法。对于大体系比较难收敛的话，可以先调节AMIN,BMIX跑十多步，得到电荷密度和波函数，再重新计算。实在没办法了，可以先放任它跑40步，没有收敛的迹象的话，停下来，得到电荷密度和波函数后重新计算。一般都能在40步内收敛。
  • 不过有时电子步收敛速度依然很慢，还需要设置一些算法控制选项，例如设置ALGO=Very_Fast，减小真空层厚度，减少K点数目等。

案例

MS建模->设置输入文件->优化
更多案例下载Materials Project里面的VASP格式,看INCAR文件

参考

bbs.O2单分子优化

INCAR

SYSTEM=O2
ISTART=0
ICHARGE=2
ISMEAR=0 
SIGMA=0.01
#ISMEAR和SIGMA的取值参考[VASP输入文件总结](https://cndaqiang.github.io/2018/01/21/vasp-input/#ibrion-nfree-nsw-isif)和官方**[manual](http://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/vasp/vasp.html)**等各种资料
ISPIN=2
#需要考虑
MAGMOM=2*2
#MAGMOM可选
ENCUT=400

IBRION=2
NSW=40
#下面的参数也是在优化结果不合理的基础上逐渐添加的
POTIM=0.2 
#结构不合理,设置POTIM低于默认0.5,进行优化
#初始结构越好,POTIM越随意
EDIFF=1E-4

KPOINTS
自动,G,1x1x1,0 0 0

bbs.优化Fe晶胞晶格参数

方法1 Birch-Murnaghan方程拟合


使用分数坐标
不优化离子结构,设置NSW = 0 或者 1， 或者 IBRION = -1,ISIF不设置
计算不同晶格参数下的能量
使用晶格参数和能量通过Birch-Murnaghan方程拟合

方法2 直接计算ISIF=3

INCAR

SYSTEM=Fe
NWRITE=0 #控制输出到OUTCAR的信息多少，可选
ISTART=0
ICHARGE=2
GGA=PE #有必要设置吗,配合POSCAR
ISPIN=2
MAGMOM=2*3
ISMEAR=1
SIGMA=0.05
ENCUT=600

IBRION=1
NSW=100
POTIM=0.1
ISIF=3 #优化晶格等
EDIFF=0.1E-06
NELM=100
LREAL=Auto  #暂时不了解这个参数适用场景

KPOINTS
自动,G,11x11x11,0 0 0

侯.6.2结构参数优化

只优化一个晶格参数时

如fcc结构的Al，晶胞中只有一个原子
使用Birch-Murnaghan拟合

复杂情况

多步优化略
一次型优化，使用ISIF参数
这种方法结果合理精度不高，可提高EDIFF,EDIFFG精度提高准确性
INCAT

SYSTEM=Mg-hex
ENCUT=250
ISTART=0
ICHARGE=2
ISMEAR=1
SIGMA=0.2
NSW=60
IBRION=2
ISIF=3
POTIM=0.2
EDIFF=1E-6
EDIFF=-1E-3
PREC=Accurate

本文首发于我的博客@cndaqiang.
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