基于密度泛函理论的VASP第一性原理计算个人总结

首先，我们在Device Studio里新建一个项目

import我们的初始结构，可以是本地，也可以是在线

本地一般会给出一些常见的0到3维材料和有机材料

如果本地没有，我们可以在线搜索我们想要的材料

以CrI3为例，Add

如果我们想要单层，那么将多余的原子删掉后，加上足够的真空层，进行居中

Simulator-VASP-Relaxation，设置合适的参数后，生成文件

你会得到四个基础文件：INCAR，POSCAR，KPOINTS，POTCAR

将它们导入你的服务器，然后打开INCAR，检查/修改里面的参数

一、不加磁性计算

1.结构优化（relaxation）

初始参数

# Basic setup: ISTART = 0 ICHARG = 2 ISPIN = 1 # Basis Set: # Accuracy controls: PREC = Normal # Electronic loop controls: ALGO = Normal EDIFF = 1E-04 NELM = 60 ISMEAR = 0 SIGMA = 0.05 # Structure control: ISIF = 2 IBRION = 2 NSW = 60 # Output control: LCHARG = .TRUE. LWAVE = .FALSE. LELF = .FALSE. LVTOT = .FALSE. LVHAR = .FALSE.

设置完之后的参数（只是示例，具体根据自己要求设置）：

# Basic setup: ISTART = 0 ICHARG = 2 ISPIN = 1 # Basis Set: # Accuracy controls: PREC = Normal # Electronic loop controls: ALGO = Normal EDIFF = 1E-05 EDIFFG = -0.02 NELM = 60 ISMEAR = 0 SIGMA = 0.05 ENCUT = 500 # Structure control: ISIF = 4 IBRION = 2 NSW = 500 # Output control: LCHARG = .FALSE. LWAVE = .FALSE. LELF = .FALSE. LVTOT = .FALSE. LVHAR = .FALSE.

然后修改KPOINTS

一般取4 4 1（C方向为真空）左右就可以了。

然后是POSCAR

有选择性的动力学，选择可以移动的原子的维度设置成T，否则为F

至于POTCAR，在之前已经在DS里面生成了，不用修改

到此，这四个文件设置完毕，再加上你的服务器提交任务的脚本，就可以提交任务了

（更新：在这里一定要注意，保证你的初始结构大致是正确的，在收敛值附近，如果晶格常数相差太远或者结构太离谱，可能会跑散那或者收敛到一个错误的结果。因此，当我们不确定或者出现错误结果的情况下，可以先只对晶格常数进行一下初步的优化，根据精确程度选取一系列的值，固定晶格常数，进行优化，然后比较得到哪个能量最低，那么我们就可以选取那个结构作为我们的初始结构POSCAR，进行正常弛豫。采取这种方法，一般来说计算得到的结果是比较准确的）

计算完成之后，我们会得到一大堆文件，我们需要的是CONTCAR，也就是结构优化完成之后的结构文件，下一步我们需要进行自洽计算

建议你在上一步的基础上设置一个子文件夹scf，这是我们进行自洽计算的文件夹。

2.自洽计算（scf）

将上一步的INCAR，POTCAR，KPOINTS，CONTCAR拷入此文件夹，将CONTCAR重新命名为POSCAR。

对INCAR的参数进行修改，以下是我的参数设置，在这一步我们需要原子不动，只动电子，所以我们需要将# Structure control里面的参数修改一下，最后在# Output control里我们需要将LCHARG和LWAVE设置成为TRUE，从而输出电荷密度和波函数，以便进行后续的计算。

# Basic setup: ISTART = 0 ICHARG = 2 ISPIN = 1 # Basis Set: # Accuracy controls: PREC = Normal # Electronic loop controls: ALGO = Normal EDIFF = 1E-05 EDIFFG = -0.02 NELM = 500 ISMEAR = 0 SIGMA = 0.05 ENCUT = 500 # Structure control: #ISIF = 4 IBRION = -1 NSW = 0 # Output control: #LCHARG = .FALSE. #LWAVE = .FALSE. LELF = .FALSE. LVTOT = .FALSE. LVHAR = .FALSE.

对于KPOINTS，由于原子不动，我们需要取更多的K点进行计算，根据你自己的体系，一般可以取17*17*1左右

对于POSCAR，就是上一步结构优化完成之后的CONTCAR

POTCAR不变

至此，我们已经完成了scf的参数设置，有了这四个文件，再加上脚本文件，我们就可以提交任务了。

前两步（结构优化和自洽计算）是非常重要的，自洽计算完成之后，我们得到了电荷密度（CHG，CHGCAR）和波函数（WAVECAR），就可以进行其他性质的计算了。

3.态密度计算（dos）

在scf的目录下建一个子文件夹dos，这是我们进行态密度计算的文件夹，将上一步自洽计算得到的INCAR，KPOINTS，POTCAR，CHG，CHGCAR，CONTCAR拷入此文件夹，再将CONTCAR重新命名为POSCAR，这六个文件使我们进行态密度计算需要的基本文件。

当然，跟之前一样，INCAR的设置还是最重要的，在之前的基础上INCAR需要有所修改。

将ICHARG=11，LORBIT=11，NEDOS=2408（根据具体情况设置，点数越多，曲线越平滑）

# Basic setup: ISTART = 0 ICHARG = 11 LORBIT = 11 ISPIN = 1 NEDOS = 2408 # Basis Set: # Accuracy controls: PREC = Normal # Electronic loop controls: ALGO = Normal EDIFF = 1E-05 EDIFFG = -0.02 NELM = 500 ISMEAR = 0 SIGMA = 0.05 ENCUT = 500 # Structure control: #ISIF = 4 IBRION = -1 NSW = 0 # Output control: LCHARG = .FALSE. LWAVE = .FALSE. LELF = .FALSE. LVTOT = .FALSE. LVHAR = .FALSE.

对于KPOINTS，一般设置成跟自洽一样的就行，不用修改

对于这一步，我们只需要修改INCAR就行了，然后有了这六个文件加上脚本，我们就可以提交任务了。

计算完成之后，我们想要画出态密度图，在linux里面输入vaspkit，你会得到这个界面

选择11

按照提示，选择111是总态密度，其他的有些分态密度，按原子、素、轨道分的，一般用的比较多的是113，按素投影的分态密度。

完成之后，会生成一些DOS.dat文件，这个文件就可以作图了。

4.能带计算（band）

在scf的目录下建一个子文件夹band，这是我们进行能带计算的文件夹，将上一步自洽计算得到的INCAR，KPOINTS，POTCAR，CHG，CHGCAR，WAVECAR，CONTCAR拷入此文件夹，再将CONTCAR重新命名为POSCAR，这七个文件使我们进行态密度计算需要的基本文件。

INCAR将ISTART可以设置成1（默认如果WAVECAR存在则为1，否则为0），ICHARG=11，LORBIT=12，LCHARG=.TRUE.（根据具体情况设置）

# Basic setup: ISTART = 1 ICHARG = 11 LORBIT = 12 ISPIN = 1 # Basis Set: # Accuracy controls: PREC = Normal # Electronic loop controls: ALGO = Normal EDIFF = 1E-05 EDIFFG = -0.02 NELM = 500 ISMEAR = 0 SIGMA = 0.05 ENCUT = 500 # Structure control: #ISIF = 4 IBRION = -1 NSW = 0 # Output control: #LCHARG = .FALSE. LWAVE = .FALSE. LELF = .FALSE. LVTOT = .FALSE. LVHAR = .FALSE.

其次是KPOINTS，需要输入对应的K路径，以及每条路径上的点数，点数一般设置成50，高对称点路径可以手动设置也可以使用DS产生。

有了这七个文件加上脚本，我们就可以提交任务进行计算了。

计算完成之后，跟之前一样，我们想要画出能带图，在linux里面输入vaspkit

选择21

然后选择211会得到总能带图，如果想得到其他类型的能带图可以选择对应的选项。

得到的BAND.dat就可以作图了。

注意，以上给出的都是最基础的PBE计算，不加磁性的例子。

如果要加上磁性，考虑自旋轨道耦合SOC，加U或者考虑HSE，那么需要对要对INCAR相应的参数进行修改。

二、考虑磁性计算及其他计算方法

1.如何给材料加上磁性

对于给材料加上磁性

1.1如果是线性自旋极化

在INCAR里将

ISPIN = 2 MAGMOM = 3 3*0 LMAXMIX = 4 LASPH = .TRUE. ISYM = 0 VOSKOWN = 1

a、ISPIN改为2（默认值是1，对ISPIN=1进行非自旋极化计算，而对ISPIN=2进行自旋极化计算。）

b、加上MAGMOM（指定每个原子的初始磁矩，由于这里是线性自旋极化，只有一个方向，所以每个原子只需要设置一个磁矩值就行了，但需要注意按POSCAR和POTCAR里面的原子顺序。例如CrI3，如果Cr的初始磁矩是3的话，我们可以设置成3 0 0 0，或者简写为3 3*0）

c、LMAXMIX：默认值是2，对于d电子或f电子，我们需要分别设置成4或6。

另：建议设置LASPH = .TRUE.（考虑非球面贡献，当使用meta-GGA泛函时，因为这通常会导致非球面电荷密度），ISYM=0（个人偏好设置，因为考虑到了磁性作用，我习惯关掉对称性），VOSKOWN = 1（只有在使用PW91泛函时需要设置，在PBE泛函中忽略这个设置）。

1.2如果是非线性自旋极化

还需在INCAR里加上LNONCOLLINEAR = .TRUE.

另外，MAGMOM需要设置成三维的，即三个方向都要设置磁矩，例如CrI3，如果Cr的初始磁矩是3的话，如果是z方向，那么我们可以设置成0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0，x和y方向同理。（对于非磁性原子或者复杂的结构来说，有太多的数，例如有十个原子，那么就要设置30个磁矩，很容易出错，作者目前不清楚有没有更简便的设置方法，如果你有，欢迎分享）

加上非线性自旋极化之后，需要使用vasp_ncl进行提交

更新：好像是有的，如果是0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0，可以设置成0 0 3 9*0（即按照顺序将磁矩为0的原子合并，非0的原子单独拿出来就行）

2.DFT+U计算

对于加U的计算，在加上磁性的基础上，我们还需要加上几行

# Add U set: LDAU = .TRUE. LDAUTYPE = 2 LDAUL = 2 -1 LDAUU = 3 0 LDAUJ = 0 0

LDAU = .TRUE.（打开加U）

将LDAUTYPE设置成2的时候，只有U−J的值是有意义的。

关于LDAUL、LDAUU和LDAUJ，要按照POSCAR里的顺序来设置各类原子

LDAUL：-1=不加U，1= p，2= d，3= f电子，默认值： LDAUL=2

至于LDAUU和LDAUJ，按照具体情况设置，可以参照经验或者文献里的值。

从一开始的结构优化和自洽计算到后来的其他计算都需要加上U值。（更正：经过测试和收集其他人的经验，考虑到一是加U对结构和晶格常数影响较小，二是简便计算，故推荐在结构优化的时候可以先不加U，从自洽开始加U，而且一般情况下加U也是为了对能带有所调节）

3.HSE计算

（这种方法比较复杂，可以参照我的最新版本HSE计算，在另一篇博客，两篇结合起来看。）

采用HSE计算的带隙一般会比普通的计算方法（如LDA和GGA）高1-2电子伏特。

用vaspkit的101功能可以生成HSE06的INCAR

LHFCALC = .TRUE. HFSCREEN = 0.2 ALGO = Damped TIME = 0.4 NELMIN = 5 AEXX = 0.25

主要是前四行

a、LHFCALC = .true.表示打开HF计算，采取杂化泛函方法。

b、HFSCREEN = 0.2采用HSE06计算，一般将它设置成0.2就可以了。HSE03一般设置成0.3。

c、ALGO = Damped注意需要将之前的ALGO修改一下，最后检查一下，不要像作者一样，刚开始加了两个ALGO，Damped表示这里采用的阻尼算法，带隙大半导体ALGO=ALL，带隙小或金属ALGO=Damped，用vaspkit的101功能可以生成HSE06的INCAR。

d、TIME = 0.4默认值是0.4，一般情况下就这样设置就好了，计算中如果收敛不好，可以适当减小TIME值。

e、NELMIN = 5表示电子SC的最小步数5步（NELM表示最大步数一般设置成60）。

f 、而AEXX = 0.25表示交换项的比例，可以调整带隙，通常情况下PBE会低估带隙，因此交换项设置越大，带隙越宽。

ALGO = Damped和TIME = 0.4是为了更好地收敛，有的时候DAV方法不收敛。值得注意的是，这种方法计算的本征矢量会有问题，即每个k点能带的顺序会乱七八糟。但电荷密度和波函数是没有问题的。

注：

在进行结构优化和电子自洽计算的时候，不需要加上HSE的参数，你首先进行正常的计算。

然再进行HSE的自洽计算，在之前的基础上加上这几行HSE的参数，跟正常的自洽计算一样，同样需要输出波函数和电荷密度，所以LWAVE和LCHARG同样要设置成TRUE。

然后再用HSE进行DAV算法计算，只需将ALGO = Damped和TIME = 0.4去掉即可（ALGO的默认值是Normal），使用DAV算法计算，好处是收敛较快，本征矢量没有任何问题。这一步的DOS是没有问题的。相应的自洽和态密度计算参照前面，再加上HSE即可。

最后是计算能带。跟上一步没有差别，能带的INCAR也只需加上HSE，将ALGO = Damped和TIME = 0.4去掉即可，其他能带设置参照前面。主要是k点的设置，由于HSE方法无法从电荷密度进行非自恰，所以只能用自恰的方法计算能带。

个人经验：使用ALGO = Damped进行计算可能会比较慢，有时候我们可以将第三步和第四步将行合并，即将HSE的自洽计算和能带计算一起进行，在自洽的同时完成能带的计算。

关键是能带计算的KPOINTS，大家可以参照这篇博客

VASP计算之HSE - 知乎 (zhihu.com)

4.SOC计算

对于考虑自旋轨道耦合(Spin-Orbit Coupling, SOC) 的计算

除了加上磁性参数外，建议修改以下参数

LSORBIT = .TRUE. GGA_COMPAT = .FALSE. LNONCOLLINEAR = .TRUE. ISYM = -1 LORBIT = 12

a、LSORBIT = .TRUE.表示打开自旋轨道耦合。

b、GGA _COMPAT = .FALSE.提高GGA计算的数值精度。。

c、LNONCOLLINEAR = .TRUE.表示允许执行完全非共线的磁性结构计算，在此设置下，还需修改MAGMOM（详见1.2）。

d、ISYM = -1建议完全关闭对称性。

e、LORBIT = 12使用仅适用于PAW方法的快速投影方案。

注：只要考虑到自旋轨道耦合的，从一开始的结构优化和自洽计算再到其他计算都需要加上SOC，而且在提交脚本的时候，要由vasp_std改为vasp_ncl，最后画出的能带图也是不区分自旋向上和自旋向下的。

（更正：是否同加U一样，结构优化的时候不用加，以及在什么时候需要加，待进一步考证，貌似对结构优化的影响较小）

5.vdW-DF functional

有时候你计算出来的能带可能存在色散比较大，与文献符合不上，那么你可以看看这种方法。

你肯定看到过有的文献里面采取了vdW-DF functional方法，它是由Dion等人提出的一个非局部相关函数，它近似地解释了色散相互作用。

我们用这种方法对材料进行结构优化，对于能带有一个很好的修正。

例如，对于optB86b-vdW泛函来说，我们需要加入这几行参数

GGA = MK PARAM1 = 0.1234 PARAM2 = 1.0000 LUSE_VDW = .TRUE. AGGAC = 0.0000

手册上的一点解释：相关泛函通过设置LUSE_VDW = .TRUE.来调用该方法。此外，由于泛函中只使用了LDA相关，因此需要去除PBE相关修正。这是通过设置AGGAC = 0.0000来实现的，上面的两个标记需要用于vdW-DF functional以下所有的功能。

除了这些设置，在计算的时候，在计算目录下还需要加上一个文件vdw_kernel.bindat。

具体的参数设置和计算方法可以参考vasp手册，上面有比较详细的说明。

今天的文章基于密度泛函理论的VASP第一性原理计算个人总结分享到此就结束了，感谢您的阅读。