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使用VASP進行O2結構優化

全文主要參考大師兄科研網(Learn VASP The Hard Way)| Ex11 O2單點計算和優化結果分析

用自己的話總結VASP具體實例的計算過程,以便後續閱讀復習!


一、O2單點計算(不進行結構優化)

單點計算就是不優化結構,直接進行能量、電子性質相關的計算。

單點計算/靜態計算/自洽計算是一個意思,幾何結構計算前後不發生變化。

Step1:VASP程序計算

1)創建INCAR、POSCAR、KPOINTS文件

  • INCAR

INCAR

① ISMEAR & SIGMA的選擇【ISMEAR – Vaspwiki】

氣體分子:ISMEAR=0,SIGMA=0.01

ISMEAR & SIGMA

② 磁性體系考慮自旋極化:ISPIN & MAGMOM(for ISPIN=2)【MAGMOM – Vaspwiki】

ISPIN = 2 : 打開自旋極化;MAGMOM=原子數量*初始磁矩(指定體系中原子的初始磁矩)

對於簡單的體系,我們可以直接使用ISPIN=2,MAGMOM不必進行設置。

O2分子的基態是三重態,即每個原子都有一個單電子,故每個氧原子的初始磁矩可設置為1,MAGMOM=2*2

MAGMOM

  • POSCAR

POSCAR

① O2是直線型分子,隻需查找鍵長即可!

② NIST數據庫:

O-O鍵長=1.2075

  • KPOINTS

KPOINTS

對於原子或分子計算,K點取一個gamma點就夠瞭。gamma點的意思就是K點取 1 1 1

2) 生成POTCAR文件,準備vasp可執行文件

3) 運行vasp!mpirun -np 32 vasp_std

等待VASP程序計算結束,下一步進行後處理分析。

Step2:獲取價值信息

1) 查看OSZICAR文件【tail -1 OSZICAR(獲取OSZICAR文件最後一行信息)】

OSZICAR

可以獲取(1)基態能量為:E0=-9.8266056 eV(2)體系磁矩為:mag=2 μB!

2) 查看電子占據信息

O2分子軌道結構:

O2分子軌道

查看OUTCAR文件中的α、β電子的占據信息:

電子占據信息

band energies數據結合O2分子軌道進行分析,可以看出對β電子占據信息是合理的;α電子中能帶3和4是簡並的,並且α電子占據信息與O2的電子構型不一致,表明VASP的單點計算結果是不可靠的。

這要求我們有紮實的化學知識,分析其背後折射出的真實的物理化學意義!

主要原因是:實驗的鍵長值未必就是VASP計算程序所認可的。也就是說,實驗的結構不能直接用來計算其性質,隻可以作為一個理想的初始值。所以O2分子需要進行結構優化。


二、O2分子結構優化

Step1:VASP程序計算

1)創建INCAR文件

  • INCAR

INCAR

① IBRION 【IBRION – Vaspwiki】

IBRION決定瞭結構的優化過程。[IBRION determines how the ions are update and moved.]

IBRION

② NSW 【NSW – Vaspwiki】

NSW控制幾何結構優化的步數,即VASP進行多少離子步。默認NSW=0,不進行優化。

設置NSW

總結:【NSW+IBRION-進行結構優化】

2) POSCAR & KPOINTS & POTCAR文件和vasp可執行程序均與O2分子單點計算時相同

3) 運行vasp!mpirun -np 32 vasp_std

等待VASP程序計算結束,下一步進行後處理分析。

Step2:獲取價值信息

1) 查看OSZICAR文件【tail -1 OSZICAR(獲取OSZICAR文件最後一行信息)】

OSZICAR

結構優化進行瞭3步就結束瞭。每一個離子步包含若幹個電子步。其中EDIFF:控制電子步,電子結構優化;EDIFFG:控制離子步,幾何結構優化。

可以獲取(1)基態能量為:E0=-9.8549782 eV(2)體系磁矩為:mag=2 μB!

2) 查看電子占據信息

再次查看OUTCAR文件中的α、β電子的占據信息:

α、β電子占據信息

優化後,OUTCAR中α電子的占據信息調整過來瞭,β電子的保持不變。這說明計算成功,優化起作用瞭。

3) 查看優化後的O-O鍵長

CONTCAR文件包含瞭VASP計算中最後一步幾何優化的結構信息,也就是優化完的結果。

優化後的鍵長信息可在CONTCAR中獲取:

(1)第一種方法:通過坐標計算。CONTCAR輸出的是Direct坐標,即分數坐標,需要轉換成笛卡爾坐標。 z方向坐標相減*對應的晶格參數(鍵長保留四位小數)

(2)第二種方法:使用可視化軟件測量。常用建模軟件:p4vasp、VESTA、MS、VMD、ASE-gui

一般理論與實驗的偏差在5%以內,我們認為吻合的很好!太過於計較合理誤差,是一種錯誤的計算思維!


每次總結看過的知識,都有種煥然一新的感覺,領悟到之前不曾察覺的小細節,這大概就是孔子所說的【溫故而知新】吧!我很喜歡這種感覺,希望自己能夠多多沉淀,多多感悟,讓自己無限進步!!!

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