1.1 结构优化1

发表于 更新于 分类于

这里主要分享怎样快速开始第一个结构优化过程。

Linux常用命令

目录操作

1 切换目录（cd）

{.line-numbers}
1
2
3
4
5
6
7
cd /                 //切换到根目录
cd /bin              //切换到根目录下的bin目录
cd ../               //切换到上一级目录 或者使用命令：cd ..
cd ~                 //切换到home目录
cd -                 //切换到上次访问的目录
cd xx(文件夹名)       //切换到本目录下的名为xx的文件目录，如果目录不存在报错
cd /xxx/xx/x         //可以输入完整的路径，直接切换到目标目录，输入过程中可以使用tab键快速补全

2 查看目录（ls）

{.line-numbers}
1
2
3
4
ls                   //查看当前目录下的所有目录和文件
ls -a                //查看当前目录下的所有目录和文件（包括隐藏的文件）
ls -l                //列表查看当前目录下的所有目录和文件（列表查看，显示更多信息），与命令"ll"效果一样
ls /bin              //查看指定目录下的所有目录和文件

3 创建目录（mkdir）

{.line-numbers}
1
2
mkdir tools          //在当前目录下创建一个名为tools的目录
mkdir /bin/tools     //在指定目录下创建一个名为tools的目录

4 删除目录与文件（rm）

{.line-numbers}
1
2
3
4
5
6
rm 文件名              //删除当前目录下的文件
rm -f 文件名           //删除当前目录的的文件（不询问）
rm -r 文件夹名         //递归删除当前目录下此名的目录
rm -rf 文件夹名        //递归删除当前目录下此名的目录（不询问）
rm -rf *              //将当前目录下的所有目录和文件全部删除
rm -rf /*             //将根目录下的所有文件全部删除【慎用！相当于格式化系统】

5 修改目录（mv）

{.line-numbers}
1
2
3
mv 当前目录名 新目录名        //修改目录名，同样适用与文件操作
mv /usr/tmp/tool /opt       //将/usr/tmp目录下的tool目录剪切到 /opt目录下面
mv -r /usr/tmp/tool /opt    //递归剪切目录中所有文件和文件夹

6 拷贝目录（cp）

{.line-numbers}
1
2
cp /usr/tmp/tool /opt       //将/usr/tmp目录下的tool目录复制到 /opt目录下面
cp -r /usr/tmp/tool /opt    //递归剪复制目录中所有文件和文件夹

7 搜索目录（find）

{.line-numbers}
1
find /bin -name 'a*'        //查找/bin目录下的所有以a开头的文件或者目录

8 查看当前目录（pwd）

{.line-numbers}
1
pwd                         //显示当前位置路径

文件操作

1 新增文件（touch）

{.line-numbers}
1
touch  a.txt         //在当前目录下创建名为a的txt文件（文件不存在），如果文件存在，将文件时间属性修改为当前系统时间

2 删除文件（rm）

{.line-numbers}rm 文件名link
1
rm -f 文件名           //删除当前目录的的文件（不询问）

3 编辑文件（vi、vim）

{.line-numbers}
1
vi 文件名              //打开需要编辑的文件

–进入后，操作界面有三种模式：命令模式（command mode）、插入模式（Insert mode）和底行模式（last line mode）
命令模式
-刚进入文件就是命令模式，通过方向键控制光标位置，
-使用命令”dd”删除当前整行
-使用命令”/字段”进行查找
-按”i”在光标所在字符前开始插入
-按”a”在光标所在字符后开始插入
-按”o”在光标所在行的下面另起一新行插入
-按”：”进入底行模式
插入模式
-此时可以对文件内容进行编辑，左下角会显示 “– 插入 –””
-按”ESC”进入底行模式
底行模式
-退出编辑： :q
-强制退出： :q!
-保存并退出： :wq

操作步骤示例

1.保存文件：按”ESC” -> 输入”:” -> 输入”wq”,回车 //保存并退出编辑
2.取消操作：按”ESC” -> 输入”:” -> 输入”q!”,回车 //撤销本次修改并退出编辑

补充

{.line-numbers}
1
2
vim +10 filename.txt                   //打开文件并跳到第10行
vim -R /etc/passwd                     //以只读模式打开文件

4 查看文件

{.line-numbers}
1
2
3
4
cat a.txt          //查看文件最后一屏内容
less a.txt         //PgUp向上翻页，PgDn向下翻页，"q"退出查看
more a.txt         //显示百分比，回车查看下一行，空格查看下一页，"q"退出查看
tail -100 a.txt    //查看文件的后100行，"Ctrl+C"退出查看

5 grep

{.line-numbers}
1
2
3
grep -i "the" demo_file              //在文件中查找字符串(不区分大小写)
grep -A 3 -i "example" demo_text     //输出成功匹配的行，以及该行之后的三行
grep -r "ramesh" *                   //在一个文件夹中递归查询包含指定字符串的文

文件权限

1 权限说明

文件权限简介：’r’ 代表可读（4），’w’ 代表可写（2），’x’ 代表执行权限（1），括号内代表”8421法”
##文件权限信息示例：-rwxrw-r–
-第一位：’-‘就代表是文件，’d’代表是文件夹
-第一组三位：拥有者的权限
-第二组三位：拥有者所在的组，组员的权限
-第三组三位：代表的是其他用户的权限

2 文件权限

普通授权 chmod +x a.txt
8421法 chmod 777 a.txt //1+2+4=7，"7"说明授予所有权限

打包与解压

1 说明

{.line-numbers}
1
2
3
4
.zip、.rar        //windows系统中压缩文件的扩展名
.tar              //Linux中打包文件的扩展名
.gz               //Linux中压缩文件的扩展名
.tar.gz           //Linux中打包并压缩文件的扩展名

2 打包文件

tar -zcvf 打包压缩后的文件名 要打包的文件
参数说明：z：调用gzip压缩命令进行压缩; c：打包文件; v：显示运行过程; f：指定文件名;
示例：

{.line-numbers}
1
tar -zcvf a.tar file1 file2,...      //多个文件压缩打包

3 解压文件

{.line-numbers}
1
2
3
4
tar -zxvf a.tar                      //解包至当前目录
tar -zxvf a.tar -C /usr------        //指定解压的位置
unzip test.zip             //解压*.zip文件 
unzip -l test.zip          //查看*.zip文件的内容

原文链接：https://blog.csdn.net/m0_46422300/article/details/104645072

其他准备

安装好VASP、vaspkit，个人电脑安装好VESTA、MS或者qvasp等建模可视化软件中的一个。如果是租用超算，还需要准备好提交任务的脚本文件，一般工程师会帮我们编好，软件安装只需要给他们提供安装包或官网即可。

vaspkit运行的五种方式

方法一 ：交换式菜单模式，直接输入vaspkit；

方法二 ：命令+参数模式，适合批处理。如vaspkit -task 102 -kpr 0.03，详细介绍见vaspki-help, 注意部分功能不支持这种模式；

方法三 ：利用bash管道传递参数,如echo -e “102\n2\n0.04\n”| vaspkit

方法四 ：同样利用bash管道传递参数, (echo 102; echo 2; echo 0.04)|vaspkit

方法五 ：vi cmd.in（文件名任意，非必须是cmd.in）包含以下三行内容

{.line-numbers}
1
2
3
102
2
0.04

然后运行vaspkit < cmd.in，产生KPOINTS文件，其他命令格式类似。

输入文件

{.line-numbers}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
INCAR      in    **
STOPCAR    in
stout      out
POTCAR     in     **
KPOINTS    in     **
IBZKPT     out
POSCAR     in     **
CONTCAR    out
CHGCAR     in/out
CHG        out
WAVECAR    in/out
TMPCAR     in/out
EIGENVAL   out
DOSCAR     out
PROCAR     out
OSZICAR    out
PCDAT      out
XDATCAR    out
LOCPOT     out
ELFCAR     out
PROOUT     out

  • 必要的输入文件有四个：INCAR，KPOINTS，POSCAR，POTCAR 。
    • INCAR 告诉VASP算什么，怎么算。
    • KPOINTS 包含计算的倒空间K点信息。
    • POSCAR 是结构信息，包括元素、晶胞参数及各个原子的坐标信息。
    • POTCAR 元素的赝势文件，描述体系中对应的原子核和电子的相关信息。
    • 提交任务的脚本或者命令，需要你自己准备。

下面由简单到复杂介绍

POSCAR

结构文件信息格式如下：

{.line-numbers}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Mo S2                  #结构名称，可不写或随便写，不能没有这一行
1.0                   # universal scaling parameters，缩放系数
    3.1500000954     0.0000000000     0.0000000000 # 晶格矢量 a(1) 
    -1.5750000477    2.7279801045     0.0000000000 # 晶格矢量 a(2)
     0.0000000000    0.0000000000    12.3000001907 # 晶格矢量 a(3)
   Mo    S                                         # 元素名称，种类
    2    4                                         #对应元素的原子个数，顺序要对应
Direct                                             #
     0.333333345       0.666666689       0.250000000
     0.666666624       0.333333323       0.750000019
     0.333333345       0.666666689       0.620999986
     0.666666624       0.333333323       0.379000014
     0.666666624       0.333333323       0.121000053
     0.333333345       0.666666689       0.878999976
  • 对于自己建模的结构，按照该格式自己写；
  • 对于Materials projiect数据库可以直接下载POSCAR格式；
  • 对于.cif文件，可以导入 VEASTA 等输出为POSCAR的格式，或者用 vaspkit 的411/412功能。

Mind：

POSCAR文件非常重要，大部分报错都是结构不合理导致的。一个好的初始结构不仅可以加快收敛速度，也会增加准确性。文件中元素的顺序非常重要。

KPOINTS

文件一般格式如下：

{.line-numbers}
1
2
3
4
5
K-POINTS      #  第一行随便写或者空着不写，但不能没有这一行
0             # 零，表示自动生成
Gamma         #  gamma点centered 
1 1 1         #  1*1*1格子，K点密度
0 0 0         #  S1 S2 S3，shift的值，一般保持 0 0 0 不变。

大家需要修改的是第三行和第四行，其他可不改。

  • 第三行：VASP只认第一个字母，大小写均可。当然这一行也可以直接写字母G或者g。G表示的是以gamma点为中心生成网格。
    另外一种是原始的Monkhorst-Pack 网格，两者的区别是 M 或者 m 在 G的基础上在三个方向上平移了1/（2N）个单位。G，也叫 gamma centered Monkhorst-Pack Grid；所以，gamma centered 只是MP网格的一种特殊情况。
    因此这一行也可以一直用G不变。

  • 第四行，在xyz三个方向上生成对应数目的K点；__这个一般需要测试__。如果开始不想测试，官网也给出了经验方法，

    • d区金属，k*a ~ 30 Å
    • 普通金属，k*a ~ 25 Å
    • 半导体，k*a ~ 20 Å
    • 绝缘体，k*a ~ 15 Å

    其中a对应三个方向的晶胞参数，也就是对应方向的k点与该方向晶胞参数乘积最好在20-30之间。

如果已经安装了vaspkit程序，可以通过102功能自动生成KPOINTS文件。

POTCAR

POTCAR赝势文件相对来说最复杂也最简单。其中有很多信息，大部分信息我们不需要关注，一般只需要关注前几行。特别是赝势的种类信息。以Mo为例：

{.line-numbers}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
PAW_PBE Mo 08Apr2002                   
   6.00000000000000     
 parameters from PSCTR are:
   VRHFIN =Mo: 4p5s4d
   LEXCH  = PE
   EATOM  =   217.5176 eV,   15.9871 Ry

   TITEL  = PAW_PBE Mo 08Apr2002
   LULTRA =        F    use ultrasoft PP ?
   IUNSCR =        1    unscreen: 0-lin 1-nonlin 2-no
   RPACOR =    2.200    partial core radius
   POMASS =   95.940; ZVAL   =    6.000    mass and valenz
   RCORE  =    2.750    outmost cutoff radius
   RWIGS  =    2.750; RWIGS  =    1.455    wigner-seitz radius (au A)
   ENMAX  =  224.584; ENMIN  =  168.438 eV

除此之外，一种元素也有很多赝势，例如Mo：

{.line-numbers}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
[scf1355@ln151%nc-l potpaw_PBE.52]$ ls Mo*
Mo:
POTCAR  PSCTR

Mo_pv:
POTCAR  PSCTR

Mo_sv:
POTCAR  PSCTR

Mo_sv_GW:
POTCAR  PSCTR

如果没有特别的需求，直接采用VASP官网推荐的即可。参考链接：
https://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/vasp/Recommended_PAW_potentials_DFT_calculations_using_vasp_5_2.html
不知道选哪一个就选第一个，使用方法如下：

{.line-numbers}
1
cat ~/pot/Mo/POTCAR ~/pot/S/POTCAR  > POTCAR

或者用vaspkit的103命令自动生成。

Mind：

该文件看似复杂，使用时只需要查看元素种类和POSCAR是否对应即可。
可以通过grep PBE POTCAR查看顺序是否正确。

{.line-numbers}
1
2
3
4
5
[scf1355@ln151%nc-l 2h]$ grep PBE POTCAR 
  PAW_PBE Mo 08Apr2002                   
   TITEL  = PAW_PBE Mo 08Apr2002
  PAW_PBE S 06Sep2000                    
   TITEL  = PAW_PBE S 06Sep2000

INCAR

这个控制计算过程的文件最为复杂，手册上相关参数多达三百多个。因此前期我们记住一点：不知道含义的参数不要加。不加对于有些参数意味着用默认值，一般是合理的。INCAR参数查找参考官方：https://www.vasp.at/wiki/index.php/Category:INCAR_tag

贴一个我的结构优化的INCAR：

{.line-numbers}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
ISTART =  0            (Read existing wavefunction; if there)
ISPIN  =  2           (Non-Spin polarised DFT) 
ICHARG =  2         (Non-self-consistent: GGA/LDA band structures)
ENCUT  =  500        (Cut-off energy for plane wave basis set, in eV)
PREC   =  A       (Precision level)
LWAVE  = .F.        (Write WAVECAR or not)
LCHARG = .F.        (Write CHGCAR or not)
ISMEAR =  0            (Gaussian smearing; metals:1)
SIGMA  =  0.05         (Smearing value in eV; metals:0.2
EDIFF  =  1E-08        (SCF energy convergence; in eV)
EDIFFG = -1E-02        (Ionic convergence; eV/AA) 
NSW    =  100          (Max ionic steps)
IBRION =  2            (Algorithm: 0-MD; 1-Quasi-New; 2-CG)
POTIM = 0.1
ISIF  =  3            (Stress/relaxation: 2-Ions, 3-Shape/Ions/V, 4-Shape/Ions)

上面参数详细介绍

  • ISTART ：初始波函数。WAVECAR存在默认1，不存在默认0。
    0：随机生成波函数
    1：从 WAVECAR 读取波函数，若读取失败则随机生成。
  • ICHARG ：初始电荷密度。当ISTART=0默认2，其他默认1。
    0：通过 WAVECAR 生成电荷密度，若读取失败则通过原子电荷密度叠加生成
    1：从 CHGCAR 读取电荷密度
    2：通过原子电荷密度叠加生成电荷密度
    11：从 CHGCAR 读取电荷密度，且在（非自洽）循环中保持不变
  • ISPIN ：自旋极化。默认1，关闭。不知道是否打开，可以打开，结果不会有影响。
    1：非自旋极化（每个轨道上自旋向上和自旋向下的电子数量相等，适合非磁性体系）
    2：自旋极化（适合铁磁、反铁磁体系）
  • ENCUT ：平面波截断能（单位 eV）
    默认元素中最大的ENMAX。一般为 POTCAR 中 最大ENMAX 参数值的 1.0 到 1.3 倍。500适用大部分体系。
  • PREC ：总体计算精度，默认Normal。可设为 Low、Med、High、Normal、Single、Accurate。具体参照手册，设为A或者Accurate足够精确。
  • LWAVE LCHARG ：控制WAVECAR和CHGCAR输出，默认输出，在结构优化可以关闭，节省储存空间。
  • ISMEAR ：轨道分数占据
    −5：四面体方法（适合半导体和绝缘体）
    0：高斯方法（适合导体、半导体和绝缘体），展宽由 SIGMA 确定
    N：Methfessel-Paxton 方法（适合导体）
  • EDIFF ：自洽循环收敛标准（系统能量变化），单位为 eV。默认1E-4，可以设的更精确一些。一般设置为 1E-6或更高。
  • __EDIFFG__：离子位置优化收敛标准。默认EDIFF*10。正值为系统能量变化，负值为原子上残余力。随着体系维数下降，可适当增加原子残余力。
  • NSW ：离子位置优化最大步数（IBRION=1、2）。默认0。设为100足够大，也可以继续加大。
    分子动力学开启时代表分子动力学模拟步数（IBRION=0）
  • IBRION ：离子位置优化算法。默认NSW=0/1时为-1，其他默认0。
    -1：离子不移动
    0：分子动力学模拟
    1：准牛顿法
    2：共轭梯度法
    5：振动频率计算
    6：弹性常数计算
    7/8：DFPT方法
  • POTIM ：有限差分法步长。当IBRION=1/2/3默认值 0.5。当IBRION=0（MD）时必须指定。
  • ISIF ：需要结构优化变量。默认IBRION=0时为0，其他默认2。结构优化一般设为3，全部优化。

Mind

  • 上面四个输入文件都是纯文本文件，且文件名不能更改，格式不能错误。
  • vaspkit可以同时产生INCAR、POTCAR、KPOINTS文件。

提交任务

在超算上提交或者集群上提交，只需要把四个输入文件和提交任务的脚本文件放在同一文件夹下，运行脚本即可。
在个人服务器、虚拟机提交可以通过nohup mpirun -np 核数 vasp_std > std.out &提交

Mind

  • 提交后经常查看作业收敛情况，有问题及时暂停，避免浪费时间

查看任务完成

实时查看任务日志tail -f 日志文件
任务停止后，判断任务是否正常结束，输入grep reached 日志文件或者tail 日志文件
如果输出reached required accuracy - stopping structural energy minimisation代表正常结束，否则很可能没有收敛或者出错中断。

输出文件

任务一旦提交，会立刻生成输出文件，不过此时可能是空的。运行片刻大部分文件会产生内容。
https://www.vasp.at/wiki/index.php/Category:Output_files
其中我们先关注几个输出文件。

CONTCAR

优化后的结构文件，与POSCAR相对应。为最后一个离子步的结构。当然如果要提高精度或者续算，可以cp CONTCAR POSCAR继续计算。

OSZICAR

包含自洽计算中能量收敛等信息。

OUTCAR

这个是VASP最主要的输出文件，包含计算过程中大量信息，依次主要包括：
VASP版本；
计算开始时间和并行性CPU数；
赝势信息；
最近邻列表；
对称性信息；
晶格信息和k点坐标;
INCAR中读入的参数和其他大部分的默认参数值；
平面波个数和FFT信息；
每一步离子步数和其中每一个电子自洽的时间、内存、能量等信息；
自洽完成后的费米能和能量本征值；
应力；力；
电荷数和磁矩；
程序运行时间。
总而言之想找而不知道去哪里找，就在这里。

IBZKPT

由VASP自动生成，包含所有不等价k点的坐标和权重以及可能的四面体链接情况，它的格式与KPOINTS文件的格式是完全一样的。

WAVECAR

波函数文件，二进制文件，不能直接用文本编辑器直接打开。
波函数文件较大，可以通过(LWAVE)来控制输出。结构优化不需要输出。
它也可以作为输入文件，为后续计算提供初始波函数。

CHGCAR和CHG

电荷密度文件，包含晶格矢量，原子坐标，总电荷密度以及PAW的单中心占据情况等信息。 该文件既是输出文件(由LCHARG控制)，也可以是输入文件。结构优化不需要输出。
在计算能带或者态密度时，需要读入电荷密度进行非自洽计算。

总结

  • 输入文件KPOINTS比较简单，可以手动，注意格式；INCAR参数众多，直接参考，不知道的参数不加；POTCAR文件比较大，我们只关注赝势对应的元素顺序与POSCAR是否一致；POSCAR结构文件VESTA直接输出。提交任务脚本由超算代理提供，不同超算不同。
  • 任务提交后关注是否正常结束，另外关注计算的时间等。