Learn QE1 电子结构计算

参考
注意
PWscf
PP模块
pwscf.save文件夹
示例

本学习教程内容主要来自互联网，个人学习记录，仅供参考。
代码仓库LearnQE@cndaqiang

参考

Summer School on Advanced Materials and Molecular Modelling
GitLab for qe2019

注意

每个模块下面都有Example和Manual，如PP/Doc/user_guide.pdf
默认赝势路径设置export ESPRESSO_PSEUDO=/home/cndaqiang/ONCVPSP/abinit
默认outdirexport ESPRESSO_TMPDIR=
USPP, it is typically needed to set ecutrho > 4×ecutwfc (it should be at least 8 to 12 times larger)
终止正在计算的pw.x, 在运行目录或者otudir中新建touch prefix.EXIT即可

PWscf

Molecule/Cluster 体系要设置assume_isolated参数
k点较多(>100)时，设置verbosity='high'输出更多信息
同一元素有多种磁矩时，要使用不同的标签(Fe1,Fe2)，因为初始磁矩和ntyp对应，starting_magnetization(1:ntyp)
提高自洽精度用conv_thr=1d-6,提高结构优化精度etot_conv_thr=1d-4,forc_conv_thr=1d-3,press_conv_thr=0.5

PP模块

可执行程序

cndaqiang@girl:~/code/tdpw2.0/q-e-qe-6.4.1-devel-1.0/PP/src$ ls *.x
average.x         fs.x             plotband.x  projwfc.x       wannier_ham.x
bands.x           initial_state.x  plotproj.x  pw2bgw.x        wannier_plot.x
dos.x             molecularpdos.x  plotrho.x   pw2critic.x     wfck2r.x
epsilon.x         open_grid.x      pmw.x       pw2gw.x
fermi_proj.x      pawplot.x        ppacf.x     pw2wannier90.x
fermi_velocity.x  plan_avg.x       pp.x        sumpdos.x

pp.x,后处理pw.x和cp.x的计算结果，计算一些物理性质用于画图，图形有1D,2D,3D类型,可以指定输出格式(如xsf),输出可以被下列程序处理

Gnuplot (1D or 2D plots),
by code plotrho.x that comes with PostProc and produces PostScript 2D plots,
by advanced plotting software XCrySDen and gOpenMol (3D plots).

也可以输出其他运算(如pw.x -> pp.x -> average.x)需要的输入
处理的性质有

charge density
spin polarization
various potentials
local density of states at EF
local density of electronic entropy
STM images
selected squared wavefunction
ELF (electron localization function)
RDG (reduced density gradient)
integrated local density of states

pwscf.save文件夹

scf计算，输出文件pwscf.save：
1. wfc波函数, dw自旋down,up自旋up,若用scf的结果计算pdos有用
wfcdw[1-nkstot].dat wfcup[1-nkstot].dat
2. 电荷密度，很有用，仅在scf计算，nscf不计算，nscf,pdos等后处理需要
charge-density.dat
3. 计算参数和输出,nscf需要从这里读入原子结构
data-file-schema.xml
4. 赝势
Fe_ONCV_PBE_sr.upf
nscf计算时，.in文件中的原子位置会被忽略,但是得有这个选项卡

Specified atomic positions will be IGNORED and those from the previous scf calculation will be used instead !!!
nscf计算，输入文件pwscf.save:
charge-density.dat 来自scf计算
data-file-schema.xml 来自nscf或scf计算，读入结构参数等信息,算完覆盖
修改其中的<output>选项卡，便可调节原子结构等参数进行测试(瞎算)
nscf计算,输出文件pwscf.save：
1. pdos 需要读入，有用
wfcdw[1-nkstot].dat wfcup[1-nkstot].dat
2. 计算参数和输出,nscf需要从这里读入原子结构
data-file-schema.xml
3. 赝势
Fe_ONCV_PBE_sr.upf
pdos输入需要pwscf.save:
charge-density.dat 来自scf计算
wfcdw[1-nkstot].dat wfcup[1-nkstot].dat 来自nscf或scf计算(即scf和nscf的结果都可以用于计算pdos)
data-file-schema.xml 来自nscf或scf计算，读入结构参数等信息
pdos输出pwscf.save:
atomic_proj.xml

示例

苯分子的scf计算和轨道`|psi(ik,iband)|^2`展示

工作路径

LearnQE/DOC/material-for-ljubljana-qe-summer-school-master/Day-1/example1.benzene

SCF计算

mpirun -np 4 pw.x -i pw.benzene.scf.in | tee pw.out

PP处理

pp.x -i pp.benzene.psi2.in | tee pp.out

PP仅需要outdir/prefix.save文件夹中的内容，其他SCF计算输出不需要存在，
cp AAA.save BBB.save后，在pp.in中设置prefix = 'BBB'也可以

 &INPUTPP
    !输入数据outdir/prefix.save
    prefix    =  'test',
    !outdir    =  '/tmp',

    !处理保存到filplot_XXX，用于后续处理
    filplot   =  'pp.psi2',

    !plot_num,画图的物理量，更多选项INPUT_PP.html
    plot_num  =  7,
    !不同的plot_num对应不同参数，下面为plot_num = 7，画psi^2时的选项
    !plot_num = 7 输出 filplot_KXXX_BXXX, K k点, B band.
    kpoint    =  1,  !自旋
    kband(1)  =  1,  !画band [kband(1),kband(2)]
    kband(2)  =  16,  
    lsign     =  .true.,  !if true and k point is Gamma, plot |psi|^2 sign(psi)
 /

!可以不指定PLOT namelist，就不会输出额外的图形数据
!从INPUTPP的输出后续处理
&PLOT
   fileout       =  '.xsf', !拓展名
   iflag         =  3, !图形维度
   nfile         =  1, !输入文件数量
   output_format =  5, !输出文件格式,5 => format suitable for XCRYSDEN  (2D or user-supplied 3D region)
   weight(1)     =  1.0, !各输入文件权重
/

使用xcrysden打开xsf格式

xcrysden --xsf pp.psi2_K001_B001.xsf

选定绘图数据:
选择xcrysden的Tools/Data Grid选项,可以查看输入文件包含的数据量，可以分别指定权重，然后点OK
(此处只有一个数据)
下面开始调节画图,设置Isovalue，点击Submit 批量绘图
File/Save Current State或ctrl+u,保存操作到state.xcrysden
使用已保存的操作打开新文件

xcrysden --xsf pp.psi2_K001_B002.xsf --script state.xcrysden

直接保存成图片格式,下面脚本会自动打开xcrysden画图，可以用于批处理

xcrysden --xsf pp.psi2_K001_B002.xsf --script state.xcrysden --print 2.png

如果保存的图片是黑色，在File/print setup中切换成截图模式，再保存state
笔记本上显示的居然是这样的,应该是对xcrysden窗口的截图，分辨率等原因使得调节窗口覆盖了显示窗口，截图出错等待后续解决方案
xsf格式也可以用VESTA打开，更美观

石墨烯DOS和能带

工作路径

LearnQE/DOC/material-for-ljubljana-qe-summer-school-master/Day-1/example2.graphene

DOS计算scf(pw.x)->nscf(pw.x)->dos.x

SCF计算

mpirun -np 4 pw.x -i pw.graphene.scf.in | tee scf.out

nscf计算/DOS计算 calculation = 'nscf'
设置occupations='tetrahedra',这同VASP等DFT程序一样，算DOS采用Blochl修正的四面体方法，但是此方法不能用来算力学性质

mpirun -np 4 pw.x -i pw.graphene.nscf.in | tee nscf.out

DOS后处理，可视化dos.x

dos.x -i dos.graphene.in | tee dos.out
./dos.py

同pp.x一样，默认会从outdir/prefix.save中读取数据进行处理pw.x
scf的计算结果也可以用来处理

 &DOS
    prefix = 'pwscf',
    ! outdir = '/tmp'
    !这几个保持默认就好了，算法上的选择
    !bz_sum
    !ngauss
    !degauss
    !能量区间和步长
    !Emin
    !Emax
    !DeltaE
    !保存到fildos
    fildos = 'graphene.dos'
 /

虽然ncsf和scf的结果都可以用来画DOS，但区别还是有的，如图
scf(kpoints 9x9x1 smearing)
nscf(kpoints 12x12x1 tetrahedra)

能带计算scf(pw.x)->bands(pw.x)->bands.x

SCF计算

mpirun -np 4 pw.x -i pw.graphene.scf.in | tee scf.out

能带计算calculation = 'nscf'
k点路径的选择
xcrystal打开pwscf结构,Tools/k-path Selection
左键旋转，右键选中高对称点，OK,保存格式选择pwscf
pw.x计算bands时的k点设置示例

K_POINTS {crystal_b}
3!高对称点数
   0.0000000000     0.0000000000     0.0000000000     40 !此k点到下一k点的点数
   0.6666666667    -0.3333333333     0.0000000000     20
   0.5000000000    -0.5000000000     0.0000000000     0

计算

mpirun -np 4 pw.x -i pw.graphene.bands.in | tee pw.bands.out

能带后处理，可视化bands.x

bands.x -i bands.graphene.in | tee bands.out

输出文件

graphene.bands.dat.gnu # 距离 EIG \n …
graphene.bands.dat # kx,ky,kz \n EIG[1:nband]

使用py对graphene.bands.dat.gnu画图

./bands.py

bands.graphene.in

 &BANDS
    !读取outdir/pwscf
    prefix  = 'pwscf'
    ! outdir  = '/tmp/'
    !输出文件filband
    filband = 'graphene.bands.dat'
    !spin_component = 1/2 !1 up, 2 down
    !lsigma #noncollinear case
    !
    !If lp = .true. matrix elements of the momentum operator p between conduction and valence bands
    !              are computed and written to file specified in filp
    !lp
    !filp
    
    lsym = .true.,
    !no_overlap 
    ! plot_2d  2D格式 kx,ky,Energy
    !firstk
    !lastk
 /

另外也可以使用plotband.x处理graphene.bands.dat得到的结果和graphene.bands.dat.gnu类似

cndaqiang@girl:example2.graphene$ plotband.x 
     Input file > graphene.bands.dat
Reading    8 bands at     48 k-points
Range:  -18.9560   14.6190eV  Emin, Emax > -18.9560   14.6190
high-symmetry point:  0.0000 0.0000 0.0000   x coordinate   0.0000
high-symmetry point:  0.3333 0.5774 0.0000   x coordinate   0.6667
high-symmetry point:  0.0000 0.5774 0.0000   x coordinate   1.0000
high-symmetry point:  0.0000 0.0000 0.0000   x coordinate   1.5773
output file (gnuplot/xmgr) > plotband.dat.gnu        
bands in gnuplot/xmgr format written to file plotband.dat.gnu   
output file (ps) > 回车
stopping ...

Si状态方程

工作路径

LearnQE/DOC/material-for-ljubljana-qe-summer-school-master/Day-1/example3.Si

状态方程ev.x

使用PW/tools/ev.x可以计算状态方程，直接运行，输入相应参数，数据文件两列[a,E]

cndaqiang@girl:example3.Si/ex3.alat/reference$ ev.x
     Lattice parameter or Volume are in (au, Ang) > au
     Enter type of bravais lattice (fcc, bcc, sc, noncubic) > fcc
     Enter type of equation of state :
     1=birch1, 2=birch2, 3=keane, 4=murnaghan > 1
     Input file > Etot-vs-alat.dat
     Output file > out.dat
     Beware: file out.dat will be overwritten
cndaqiang@girl:example3.Si/ex3.alat/reference$ head out.dat
# equation of state: birch 1st order.  chisq =   0.5913D-07
# a0 = 10.2786 a.u., k0 =  915 kbar, dk0 =  3.96 d2k0 =  0.000 emin =  -15.80790
# a0 =  5.43921 Ang, k0 =  91.5 GPa,  V0 =   271.48 (a.u.)^3,  V0 =   40.23 A^3 

#########################################################################
# Lat.Par       E_calc        E_fit       E_diff    Pressure      Enthalpy
# a.u.            Ry           Ry            Ry        GPa           Ry
#########################################################################
  9.70000     -15.77943     -15.77927    -0.00016      22.46      -15.43108
  9.80000     -15.78874     -15.78890     0.00016      17.39      -15.51061

Al金属体系

工作路径

LearnQE/DOC/material-for-ljubljana-qe-summer-school-master/Day-1/example4.Al

scf计算

金属体系因为费米面的原因，要计算得准确，相比半导体需要增加K点密度，并选择合适的degauss,smearing

    occupations = 'smearing',
    smearing = 'm-v',
    degauss = 0.01

如Summer School on Advanced Materials and Molecular Modelling的结果

电荷密度

scf计算

cndaqiang@girl:example4.Al/ex2.chdens$ mpirun -np 4 pw.x -i pw.al.scf.in | tee scf.out

PP计算,xcrysden查看，查看方法与前面的查看xsf格式相同

pp.x -i pp.charge.in 
xcrysden --xsf chargedensity.xsf 

PP输出文件

&INPUTPP
    prefix="pwscf"
    !filplot = "chargedensity"  !输出用于后续处理，不必须输出
    plot_num = 17
    !plot_num = 17 价电子 all-electron valence charge density
    !can be performed for PAW calculations only
    !requires a very dense real-space grid!
    !plot_num = 21 全电子 all-electron charge density (valence+core).
    !spin_component = 0  !0 All, 1 up, 2 down
/
&PLOT
    nfile = 1 
    weight(1)     =  1.0, !各输入文件权重
    iflag  = 3 
    weight(1) = 1.0
    output_format = 5 !6 cube, 5xsf
    !fileout = 'chargedensity.cube' 
    fileout = 'chargedensity.xsf' 
/

铝原子较大可能会覆盖电荷的显示，把原子半径调小就看见了

这次vesta打开chargedensity.xsf没有自动显示电荷密度，不知道是不是数值太小，可以Utilities/2D Data Display查看把PP的&PLOT调整可绘制cube格式，vesta都支持xsf和cube格式

    output_format = 6
    fileout = 'chargedensity.cube' 

Fe磁性材料

Iron has two remarkable features: it is magnetic and it requires an Ultrasoft PP (USPP) since its localized 3d atomic states are very hard. 若不用USPP，ectoff要取很高
Fe是金属材料，也要设置smearing
工作路径

LearnQE/DOC/material-for-ljubljana-qe-summer-school-master/Day-1/example5.Fe

铁磁FM，反铁磁AFM计算

计算反铁磁，要构建超胞，并指定不同的初始磁矩，还要使用不同的标签(Fe1,Fe2),
因为初始磁矩和ntyp对应，starting_magnetization(1:ntyp)

&SYSTEM

  ntyp = 2, !设置两种类型
  starting_magnetization(1) =  0.6
  starting_magnetization(2) = -0.6
 !...
/
ATOMIC_SPECIES
 Fe1  1.  Fe_ONCV_PBE_sr.upf
 Fe2  1.  Fe_ONCV_PBE_sr.upf
!...

分别运行

mpirun -np 4 pw.x -i pw.fe_fm.scf.in | tee fm.out
mpirun -np 4 pw.x -i pw.fe_afm.scf.in | tee afm.out

检查磁性和能量，可以看到fm总能量/原子数更低

cndaqiang@girl:example5.Fe$ grep magnetization fm.out | tail -2
   total magnetization       =      1.853765 Bohr mag/cell
   absolute magnetization    =      1.863940 Bohr mag/cell
cndaqiang@girl:example5.Fe$ grep ! fm.out 
!    total energy              =    -240.27909971 Ry
cndaqiang@girl:example5.Fe$ grep magnetization afm.out | tail -2
   total magnetization       =     -0.000295 Bohr mag/cell
   absolute magnetization    =      0.008622 Bohr mag/cell
cndaqiang@girl:example5.Fe$ grep ! afm.out 
!    total energy              =    -480.47700464 Ry

DOS

nscf算DOS时，占据方式为occupations = 'tetrahedra'，不用设置smearing等参数

mpirun -np 4 pw.x -i pw.fe_fm.scf.in | tee fm.out
mpirun -np 4 pw.x -i pw.fe_fm.nscf.in | tee fmnscf.out
dos.x -i dos.in 
./dos_nspin.py #画图

可以对比同样的k点(12x12x12)使用scf和nscf的结果分别画的dos，nscf的结果更平滑

PDOS projwfc.x

mpirun -np 4 pw.x -i pw.fe_fm.scf.in | tee fm.out
mpirun -np 4 pw.x -i pw.fe_fm.nscf.in | tee fmnscf.out
projwfc.x -i pdos.in 
./pdos_nspin.py  #画图

生成类似fe.pdos.pdos_atm#1(Fe)_wfc#1(s)文件名的数据文件
文件结构(nspin=2时加倍):

s
ldos(S) pdos(S)
p
ldos(p) pdos: px py pz
d
ldos(d) pdos:dz2 dxz dyz dxy dx2-y2

LDOS: s, p, d, f轨道的态密度
PDOS: s, p, d, f轨道的投影态密度
projwfc.x的输入文件和dos.x输入类似

&PROJWFC
    filpdos = 'fe.pdos' !pdos是filpdos，dos是fildos
    Emin = 8.0
    Emax = 25.0,
    DeltaE = 0.1
/

FeO DFT+U

QE仅支持特定元素+U
从/Modules/set_hubbard_n.f90我们可以看到支持的元素和加U轨道的主量子数n
从/Modules/set_hubbard_l.f90我们可以看到支持的元素和加U轨道的轨道量子数l
对于Fe,n=3,l=2,即3d轨道加U
如果所要加U的元素不再QE支持范围内，可以改代码支持

DFT+U (formerly known as LDA+U) currently works only for a few selected elements. Modify Modules/set_hubbard_l.f90 and PW/src/tabd.f90 if you plan to use DFT+U with an element that is not configured there.

赝势的选取很影响结果,如左边Fe_ONCV_PBE_fr.upf算得FeO为导体,右边Fe.pbesol-spn-kjpaw_psl.0.2.1.UPF算的FeO为半导体
而使用Fe.pbesol-spn-kjpaw_psl.1.0.0.UPF，直接报错

     axis vectors are left-handed
               file Fe.pbesol-spn-kjpaw_psl.1.0.0.UPF: wavefunction(s)  3P 3D renormalized
               file Fe.pbesol-spn-kjpaw_psl.1.0.0.UPF: wavefunction(s)  3P 3D renormalized
           3          10

 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
     Error in routine set_dft_from_name (1):
      conflicting values for igcx
 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

     stopping ...

因此之后的计算采用推荐的赝势

Fe1  55.845  Fe.pbesol-spn-kjpaw_psl.0.2.1.UPF
Fe2  55.845  Fe.pbesol-spn-kjpaw_psl.0.2.1.UPF
O     16.0   O.pbesol-n-kjpaw_psl.0.1.UPF

工作路径

LearnQE/DOC/material-for-ljubljana-qe-summer-school-master/Day-2/example4.functionals/ex1.DFT+U

不加U

虽然FeO实验是半导体，但是计算是导体，所以SCF计算要设置smearing
反铁磁材料，所以建超胞，Fe标签不同，用于指定不同的初始磁矩

mpirun -np 4 pw.x -i pw.FeO.scf.in | tee scf.out
mpirun -np 4 pw.x -i pw.FeO.nscf.in | tee nscf.out
projwfc.x -i projwfc.FeO.in
./pdos_nspin.py

加U

添加U值在scf和nscf的计算中，参数相同

    lda_plus_u = .true.,
    !+U的类型
    lda_plus_u_kind = 0, 
    !   0   simplified version of Cococcioni and de Gironcoli,
    !   PRB 71, 035105 (2005), using Hubbard_U
    !   1   rotationally invariant scheme of Liechtenstein et al.,
    !   using Hubbard_U and Hubbard_J

    !U_projection_type轨道的选择方式
    U_projection_type = 'atomic',
    !Hubbard_U(i), i=1,ntyp 仅对需要的元素+U值， 
    !U值可根据Timrov, N. Marzari, M. Cococcioni, PRB 98, 085127 (2018)计算
    Hubbard_U(1) = 5.2
    Hubbard_U(2) = 5.2

执行

mpirun -np 4 pw.x -i pw.FeO.scfU.in | tee scfU.out
mpirun -np 4 pw.x -i pw.FeO.nscfU.in | tee nscfU.out
projwfc.x -i projwfc.FeO.in
./pdos_nspin.py

加U后算出来的仍是导体，根据Summer School on Advanced Materials and Molecular Modelling，优化到了局域最小值
通过设置starting_ns_eigenvalue(m,ispin,ityp)，计算出全局最小值

加U & starting_ns_eigenvalue(m,ispin,ityp)

在scf时添加，尽在第一个scf初始迭代时生效

    starting_ns_eigenvalue(5,2,1) = 1.0
    starting_ns_eigenvalue(5,1,2) = 1.0

选择5,2,1与5,1,2的原因是,根据scf+U的屏幕输出，在第一个scf内，atom1的spin2的第5个本征值(0.296)是非简并的(前面四个都是2重简并)
atom2同理

Why 5-th state? Because it is the one which is non-degenerate and if occupied fully could lead to an insulating result.

     iteration #  1     ecut=    30.00 Ry     beta= 0.30
......
atom    1   Tr[ns(na)] (up, down, total) =   5.00636  1.09500  6.10136
   spin  1
    eigenvalues: 
  1.000  1.000  1.002  1.002  1.002
......
   spin  2
    eigenvalues: 
  0.129  0.129  0.270  0.270  0.296
......

在输出会有这样的语句提示 Modify starting ns matrices according to input values ，然后修改values 其余不变

mpirun -np 4 pw.x -i pw.FeO.scfUns.in | tee scfUns.out
mpirun -np 4 pw.x -i pw.FeO.nscfU.in | tee nscfU.out
projwfc.x -i projwfc.FeO.in
./pdos_nspin.py

三种情况的DOS，+U与starting_ns_eigenvalue可以算得半导体的情况

通过比较能量，调整之后能量是更低了一些 -735.172(+U & starting_ns_eigenvalue ) < -734.99424361(+U)

光学吸收谱计算

参考QE实践详解

手册/PP/Doc/eps_man.pdf

输入参数示例，下面的内容是epsilon.x的输入

&inputpp
  !outdir='./tmp'
  calculation='eps'
/
&energy_grid
  smeartype='gauss'
  intersmear=0.50 !这里0.5已经很大了，太大会出现峰特别宽，就像fft的dumpling取大了一样,用0.136好一些
  intrasmear=0.0
  wmin=0.0  !能量区间,单位eV
  wmax=60.0 !能量区间,单位eV
  nbndmin=1
  nbndmax=0
  nw=2000
  shift=0.0
/

calculation='eps'时输出epsr.dat, epsi.dat, eels.dat and ieps.dat

epsr.dat, epsi.dat介电函数张量的实部虚部$\epsilon_{1,\alpha,\alpha}(\omega),\epsilon_{2,\alpha,\alpha}(\omega)$
虚部对应吸收谱
eels.dat电子能量损失谱
ieps.dat the diagonal components of dielectric tensor calculated on the imaginary axis of frequency (via London transformation) $\epsilon_{\alpha,\alpha}(i\omega)$

运行

epsilon.x -i epsilon.in | tee epsilon.out
epsi_pwscf2gpaw.py epsi_pwscf.dat
spectrum.gpaw.py ./gpaw.epsi_pwscf.dat
vs ./gpaw.epsi_pwscf.dat.png

所以nbnd要取多一些,不然能量的区间太小了

报错

     non uniform kpt grid

则要关闭对称性,使所有k点权重相同

noinv=T
nosym=T

本文首发于我的博客@cndaqiang.
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注意

PWscf

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示例

苯分子的scf计算和轨道`|psi(ik,iband)|^2`展示

石墨烯DOS和能带

DOS计算scf(pw.x)->nscf(pw.x)->dos.x

能带计算scf(pw.x)->bands(pw.x)->bands.x

Si状态方程

状态方程ev.x

Al金属体系

scf计算

电荷密度

Fe磁性材料

铁磁FM，反铁磁AFM计算

DOS

PDOS projwfc.x

FeO DFT+U

不加U

加U

加U & starting_ns_eigenvalue(m,ispin,ityp)

光学吸收谱计算

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