乾貨 | 如何利用VASP計算任務?看看這10點分享

1、VASP 能夠進行哪些過程的計算？怎樣設置？

我們平時最常用的研究方法是做單點能計算，結構優化、從頭計算的分子動力學和電子結構相關性質的計算。 一般我們的研究可以按照這樣的過程來進行 如果要研究一個體系的最優化構型問題可以首先進行結構弛豫優化 然後對優化後的結構進 ， 行性質計算或者單點能計算。如果要研究一個體系的熱力學變化過程可以首先進行分子動力學過程模擬 然後在某個溫度 ， 或壓強下進行性質計算或者單點能計算。 如果要研究一個體系的熱力學結構變化可以首先在初始溫度下進行 NVT 計算，然後進行分 子動力學退火，然後在結束溫度下進行性質計算研究。

 

2、什麼是單點能計算(single point energy)？如何計算？

跟其它軟體類似，VASP 具有單點能計算的功能。也就是說，對一個給定的固定不變的結構（包括原子、分子、表面或體材料）能夠計算其總能，即靜態計算功能。 單點能計算需要的參數最少，最多只要在 KPOINTS 文件中設置一下合適的 K 點或者在 INCAR 文件中給定一個截斷能 ENCUT 就可以了。還有一個參數就是電子步的收斂標準的 設置 EDIFF，默認值為 EDIFF=1E-4，一般不需要修改這個值。 具體來說要計算單點能，只要在 INCAR中設置 IBRION=-1 也就是讓離子不移動就可以了。

 

3、什麼是結構優化(structureoptimization)？如何計算？

結構優化又叫結構弛豫（structurerelax），是指通過對體系的坐標進行調整，使得其能量或內力達到最小的過程，與動力學退火不同，它是一種在０Ｋ下用原子間靜力進行優化的 方法。可以認為結構優化後的結構是相對穩定的基態結構，能夠在實驗之中獲得的機率要大些（當然這只是理論計算的結果，必須由實驗來驗證）。 一般要做弛豫計算，需要設置弛豫收斂標準，也就是告訴系統收斂達成的判據 （convergence break condition) ， 當 系 統 檢 測 到 能 量 變 化 減 小 到 一 個 確 定 值 時 例 如 EDIFFG=1E-3 時視為收斂中斷計算，移動離子位置嘗試進行下一步計算。EDIFFG這個值 可以為負，例如 EDIFFG=-0.02，這時的收斂標準是當系統發現所有離子間作用力都小於給定的數值，如０.０２eV/A 時視為收斂而中斷。 弛豫計算主要有兩種方式：準牛頓方法(quasi-Newton RMM-DIIS)和共軛梯度法(CG) 兩種。準牛頓方法計算速度較快，適合於初始結構與平衡結構（勢能面上全局最小值）比較

 

接近的情況而CG 方法慢一些找到全局最小的可能性也要大一些選擇方法為 IBRION=1  。 時為準牛頓方法而 IBRION=2 時為 CG方法。 具體來說要做弛豫計算，設置 IBRION=1 或者 2 就可以了，其它參數根據需要來設置。 NSW是進行弛豫的最大步數，例如設置 NSW=100，當計算在 100 步之內達到收斂時計算 自動中斷，而 100 步內沒有達到收斂的話系統將在第 100 步後強制中止（平常計算步數不 會超過 100 步，超過 100 步可能是計算的體系出了問題）。參數通常可以從文獻中發現，例如收斂標準EDIFFG 等。 有的時候我們需要一些帶限制條件的弛豫計算，例如凍結部分原子、限制自旋的計算等 等。凍結部分原子可以在 POSCAR 文件中設置 selective dynamic 來實現。自旋多重度限制可以在 INCAR 中以 NUPDOWN 選項來設置。另外 ISIF 選項可以控制弛豫時的晶胞變化情況，例如晶胞的形狀和體積等。 費米面附近能級電子分布的 smearing是一種促進收斂的有效方法，可能產生物理意義 不明確的分數佔據態情況，不過問題不大。在 INCAR文件中以 ISMEAR 來設置。一般來說 K 點只有一兩個的時候採用 ISMEAR=0，金屬體材料用 ISMEAR=1 或 2,半導體材料用ISMEAR=-5 等等。不過有時電子步收斂速度依然很慢，還需要設置一些算法控制選項，例 如設置ALGO=Very_Fast，減小真空層厚度，減少 K 點數目等。 弛豫是一種非常有效的分析計算手段雖然是靜力學計算但是往往獲得一些動力學得不 ， 到的結果。

4、如何利用VASP做分子動力學模擬？

VASP做分子動力學的好處，由於VASP 是近些年開發的比較成熟的軟體，在做電子 scf 速度方面有較好的優勢。缺點：可選系綜太少。儘管如此，對於大多數有關分子動力學的任務還是可以勝任的。 主要使用的系綜是 NVT和NVE。 一般做分子動力學的時候都需要較多原子，一般都超過 100 個。 當原子數多的時候，K點實際就需要較少了。有的時候用一個K點就行，不過這都需要嚴 格的測試。通常超過 200 個原子的時候，用一個K 點，即Gamma 點就可以了。 INCAR： EDIFF 一般來說，用 1E-4 或者 1E-5 都可以，這個參數只是對第一個離子步的自洽影響大一些，對於長時間的分子動力學的模擬，精度小一點也無所謂，但不能太小。 IBRION=0 分子動力學模擬 IALGO=48 一般用 48，對於原子數較多，這個優化方式較好。 NSW=1000 多少個時間步長。 POTIM=3 時間步長,單位 fs, 通常 1 到 3. ISIF=2 計算外界的壓力. NBLOCK= 1 多少個時間步長，寫一次 CONTCAR，CHG 和CHGCAR，PCDAT. KBLOCK=50 NBLOCK*KBLOCK 個步長寫一次 XDATCAR.（個離子步寫一次 PCDAT.） ISMEAR=-1 費米迪拉克分布. SIGMA =0.05 單位:電子伏

 

NELMIN=8 一般用 6到8, 最小的電子 scf 數.太少的話,收斂的不好. LREAL=AAPACO=10 徑向分布函數距離, 單位是埃.NPACO=200 徑向分布函數插的點數. LCHARG=F 儘量不寫電荷密度,否則 CHG 文件太大.TEBEG=300 初始溫度. TEEND=300 終態溫度。 不設的話，等於 TEBEG. SMASS=-3 NVE ensemble;-1 用來做模擬退火。大於0 NVT 系綜。正確：SMASS=1,2,3 是 沒有區別的。都是 NVT ensemble。SMASS 只要是大於 0 就是 NVT 系綜。CONTCAR 是每個離子步之後都會寫出來的，但是會用新的把老的覆蓋 CHG 是在每 10 個離子步寫一次，不會覆蓋 CHGCAR 是在任務正常結束之後才寫的。

5、收斂判據的選擇是什麼？

結構弛豫的判據一般有兩中選擇：能量和力。這兩者是相關的，理想情況下，能量收斂到基態， 力也應該是收斂到平衡態的。 但是數值計算過程上的差異導致以二者為判據的收斂 速度差異很大， 力收斂速度絕大部分情況下都慢於能量收斂速度。 這是因為力的計算是在能量的基礎上進行的， 能量對坐標的一階導數得到力。 計算量的增大和誤差的傳遞導致力收斂 慢。 到底是以能量為收斂判據，還是以力為收斂判據呢？關心能量的人，覺得以能量為判據就夠了； 關心力相關量的人， 沒有選擇， 只能用力作為收斂標準。 對於超胞體系的結構優化， 文獻大部分採用 Gamma 點做單點優化。這個時候即使採用力為判據（EDIFFG=-0.02） ，在 做靜態自洽計算能量的時候， 會發現， 原本已經收斂得好好的力在不少敏感位置還是超過了 結構優化時設置的標準。這個時候，是不是該懷疑對超胞僅做 Gamma 點結構優化的合理性 呢？是不是要提高 K 點密度再做結構優化呢。在我看來，這取決於所研究的問題的複雜程度。我們的計算從原胞開始，到超胞，到摻 雜結構，到吸附結構，到反應和解離。每一步都在增加複雜程度。結構優化終點與初始結構是有關的，如果遇到對初始結構敏感的優化，那就頭疼了。而且，還要注意到，催化反應不 僅與原子本身及其化學環境有關， 還會與幾何構型有關。 氣固催化反應過程是電子的傳遞過程，也是分子拆分與重新組合的過程。如果優化終點的構型不同，可能會導致化學反應的途 徑上的差異。僅從這一點來看，第一性原理計算的複雜性，結果上的合理性判斷都不是手冊上寫的那麼簡單。 對於涉及構型敏感性的結構優化過程，我覺得，以力作為收斂判據更合適。而且需要在 Gamma 點優化的基礎上再提高 K 點密度繼續優化， 直到靜態自洽計算時力達到收斂標準的。

 

6、如何進行結構優化參數設置？

結構優化，或者叫弛豫，是後續計算的基礎。其收斂性受兩個主要因素影響：初始結構的合理性和弛豫參數的設置 初始結構

 

初始結構包括原子堆積方式，和自旋、磁性、電荷、偶極等具有明確物理意義的模型相關參數。比如摻雜，表面吸附，空位等結構，初始原子的距離，角度等的設置需要有一定的 經驗積累。DFT 計算短程強相互作用（相對於範德華力），如果初始距離設置過遠（如超過 4 埃） ，則明顯導致收斂很慢甚至得到不合理的結果。 比較好的設置方法可以參照鍵長。比如 CO 在 O 頂位的吸附，可以參照CO2 中 C-O 鍵 長來設置（如增長 20%）。也可以參照文獻。記住一些常見鍵長，典型晶體中原子間距離等 參數，有助於提高初始結構設置的合理性。實在不行，可以先在小體系上測試，然後再放到 大體系中算。 弛豫參數弛豫參數對收斂速度影響很大，這一點在計算工作沒有全部鋪開時可能不會覺察到有 什麼不妥，反正就給 NSW 設置個「無窮大」的數，最後總會有結果的。但是，時間是寶貴 的，恰當的設置 3 小時就收斂的結果，不恰當的設置可能要一個白天加一個黑夜。如果你趕 文章或者趕著畢業，你就知道這意味這什麼。 結構優化分電子迭代和離子弛豫兩個嵌套的過程。電子迭代自洽的速度， 有四個響很大 的因素：初始結構的合理性，k 點密度，是否考慮自旋和高斯展寬（SIGMA） ；離子弛豫的 收斂速度，有三個很大的影響因素：弛豫方法（IBRION）,步長（POTIM）和收斂判據 （EDIFFG）. 一般來說，針對理論催化的計算，初始結構都是不太合理的。因此一開始採用很粗糙的 優化（EDIFF=0.001，EDIFFG=-0.2） ，很低的 K 點密度(Gamma)，不考慮自旋就可以了，這 樣 NSW<60 的設置就比較好。其它參數可以默認。經過第一輪優化，就可以進入下一步細緻的優化了。就我的經驗， EDIFF=1E-4,EDIFFG=-0.05，不考慮自旋，IBRION=2，其它默認，NSW=100;跑完後可以設 置 IBRION = 1，減小 OPTIM（默認為 0.5，可以設置 0.2）繼續優化。 優化的時候讓它自己悶頭跑是不對的，經常看看中間過程，根據情況調節優化參數是可以很好的提高優化速度。這個時候，提交兩個以上的任務排隊是好的方式，一個在調整的時 候，下一個可以接著運行，不會因為停下當前任務導致機器空閒。 無論結構優化還是靜態自洽，電子步的收斂也常常讓新手頭痛。如果電子步不能在 40 步內收斂，要麼是參數設置的問題，要麼是初始模型太糟糕（糟糕的不是一點點） 。 靜態自洽過程電子步不收斂一般是參數設置有問題。這個時候， 改變迭代算法 （ALGO） ， 提高高斯展寬（SIGMA 增加）,設置自洽延遲（NELMDL）都是不錯的方法。對於大體系比 較難收斂的話，可以先調節 AMIN,BMIX 跑十多步，得到電荷密度和波函數，再重新計算。 實在沒辦法了，可以先放任它跑 40 步，沒有收斂的跡象的話，停下來，得到電荷密度和波 函數後重新計算。一般都能在40 步內收斂。 對於離子弛豫過程，不調節關係也不大。開始兩個離子步可能要跑滿 60 步（默認的）， 後面就會越來越快了。 總的說來，一般入門者，多看手冊，多想多理解，多上機實踐總結，比較容易提高到一 個熟練操作工的水平。 如果要想做到「精確打擊」 ，做到能在問題始發的時候就立刻採取有效措施來解決，就 需要回歸基礎理論和計算方法上來了。

7、如何用 VASP 計算鐵磁、反鐵磁和順磁

順磁，意味進行 non-spinpolarized 的計算，也就是 ISPIN=1。 鐵磁，意味進行 spin-polarized 的計算，ISPIN=2，而且每個磁性原子的初始磁矩設置為一樣的值，也就是磁性原子的 MAGMOM 設置為一樣的值。對非磁性原子也可以設置成一 樣的非零值（與磁性原子的一樣）或零，最後收斂的結果，非磁性原子的 local 磁矩很小， 快接近 0，很小的情況，很可能意味著真的是非磁性原子也會被極化而出現很小的 local 磁 矩。 反鐵磁，也意味著要進行 spin-polarized 的計算，ISPIN=2，這是需採用反鐵磁的磁胞來 進行計算， 意味著此時計算所採用的晶胞不再是鐵磁計算時的最小原胞。 比如對鐵晶體的鐵磁狀態，你可以採用 bcc 的原胞來計算，但是在進行反鐵磁的 Fe 計算，這是你需要採用 sc 的結構來計算，計算的晶胞中包括兩個原子，你要設置一個原子的 MAGMOM 為正的，另一個原子的 MAGMOM 設置為負，但是它們的絕對值一樣。因此在進行反鐵磁的計算時，

 

應該確定好反鐵磁的磁胞，以及磁序，要判斷哪種磁序和磁胞是最可能的反鐵磁狀態，那只能是先做好各種可能的排列組合， 然後分別計算這些可能組合的情況， 最後比較它們的總能， 總能最低的就是可能的磁序。 同樣也可以與它們同鐵磁或順磁的進行比較。 了解到該材料究竟是鐵磁的、還是順磁或反鐵磁的。 亞鐵磁，也意味要進行 spin-polarized 的計算，ISPIN=2，與反鐵磁的計算類似，不同的 是原子正負磁矩的絕對值不是樣大。非共線的磁性，那需採用專門的 non-collinear 的來進行 計算，除了要設置 ISPIN，MAGMOM 的設置還需要指定每個原子在 x,y,z 方向上的大小。 這種情況會複雜一些。舉個例子來說，對於 Mn-Cu(001)c(2x2)這種體系，原胞裡面有 2個 Mn 原子，那麼你直 接讓兩個 Mn 原子的 MAGMOM 的絕對值一樣，符號相反就可以了，再加上 ISPIN=2。這樣就可以實現進行反鐵磁的計算了

 

8、VASP在計算磁性的時候，oszicar 中得到的磁矩和 outcar 中得到各原子磁矩之和不一致在投稿的是否曾碰到有審稿人質疑，對於這個不一致你們一般是怎麼解釋？

 

答：OSZICAR 中得到的磁矩是 OUTCAR 中最後一步得到的總磁矩是相等的。總磁矩和各 原子的磁矩(RMT 球內的磁矩)之和之差就是間隙區的磁矩。因為有間隙區存在,不一致是正 常的。

 

9、磁性計算應該比較負責。你應該還使用別的程序計算過磁性，與vasp 結果比較是否一

致，對磁性計算採用的程序有什麼推薦。 ps：由於曾使用 vasp 和 dmol 算過非周期體系磁性，結構對磁性影響非常大，因此使用這兩個程序計算的磁性要一致很麻煩。還不敢確定到底是哪個程序可能不可靠。

 

答：如果算磁性，全電子的結果更精確，我的一些計算結果顯示磁性原子對在最近鄰的位置時，PAW 與 FPLAW 給出的能量差不一致，在長程時符合的很好。雖然並沒有改變定性結論。 感覺 PAW 似乎不能很好地描述較強耦合。 我試圖在找出原因， 主要使用 exciting 和 vasp 做比較。計算磁性推薦使用 FP-LAPW, FP-LMTO, FPLO 很吸引人(不過是商業的)，後者是 O(N)算法。

10、VASP 中過渡態計算設置的一點體會

計算過渡態先要擺正心態，不急於下手。步驟如下：

（1）做模型，初態 IS 和終態 FS，分別結構優化到基態；

（2）線形插入 images: nebmake.pl POSCAR.IS POSCAR.FS N N 為 image 個數。

（3）nebmovie.pl,生成 movie.xyz。用 Xcrysden --xyz movie.xyz 反覆觀看動畫，仔細檢查過 程的合理性。這裡要提醒，POSCAR.IS 和 POSCAR.FS 中原子坐標列表的順序必須對應。

（4） INCAR,選 IOPT。 寫 注意， 最好忘記 vasp 自帶的 NEB， 而全部改用包含 vtstool 的 vasp. IBRION=3,POTIM=0 關閉 vasp 自帶的 NEB 功能。

（5）過渡態計算第一個離子步最耗時，也最容易出問題，也是模型設計合理性檢驗的首要環節。所以可以選小一些的 ENCUT，可以不用考慮自旋(ISPIN=1)，也不用考慮 DFT+U。 而且用最快最粗糙的算法（IOPT=3,其他默認）。

（6）帶 vtstool 的 vasp-ClNEB(NEB)過渡態計算 ICHAIN=0 作為入口，這個也是默認的。 LCLIMB=TRUE 也是默認的。如果不要 climb image,可以設置 LCLIMB = False.

（7） 收斂判據 EDIFFG<0。 過渡態計算要以力為收斂判據， 而不是能量。 一般EDIFFG=-0.05 就可以接受， -0.02 或者-0.01更好。 但是作為開始的過渡態計算， 可以設置很寬的收斂條件， 如 EDIFFG=-1.

（8）初步過渡態收斂後,修改 INCAR 中的優化器（IOPT），並修改相應參數（參考 vtstool 官方論壇） ，EDIFFG 改小（如-0.05） ，然後運行 vfin.pl，這個腳本自動幫你準備在原來的基 礎上繼續運行新的過渡態計算（完成 cp CONTCAR POSCAR, 保留電荷密度和波函數的操 作） 。

（9）過渡態如何驗算虛頻呢？比如一個 6 層原子層的 slab 上表面吸附小分子。 slab 下部 3 層原子是固定的。 驗算虛頻的時 候，是不是還是固定下面三層原子，然後按照一般頻率計算方法來算虛頻？這樣的話，可以移動的原子數在 20 數量級上，考慮三個自由度，及其組合，就有很多很多可能了。請問該 怎麼設置這樣的過渡態虛頻計算呢？

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