ABINIT实战手册.docx
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ABINIT实战手册
ABINIT-5.8.4软件的Windows版本实战守则
(byH.J.Zhao)
前言第一性原理计算发表文章的要点
1.你算的是什么,
2.你为什么要算这个东西,
3.你用了怎样的算法,
4.你算出来了什么,
5.你怎样解释你算出来的东西,有什么结论。
第一章ABINIT软件的运行
以BaTiO3为例,需建立输入文件*.in,在abinit网站下载Ba、Ti、O的赝势文件,之后执行abinis程序,依次输入:
1.bto.in
2.bto.out
3.btoi
4.btoo
5.bto.temp
6.把三个赝势文件拖入程序执行框中
运行即可!
Abinit使用篇简介
abinis的输入文件分为三类:
定义了所有输入文件名的文件(比如in.files,这个文件就是用来告诉abinit哪些文件是abinit读入参数的文件名,以及输出主要结果的文件的名称),定义了计算的控制参数的文件(比如取名为INP),赝势的文件。
下面举例如何做好输入文件计算金刚石结构的Si的状态方程,由此也得到Si的晶格常数和体弹性模量。
大致的步骤是在Si的晶格常数的实验值附近取11个数据点,也就是说取11个晶格常数或体积,然后计算在这些晶格常数下的总能。
在计算得到总能后,采用状态方程拟合得到状态方程、平衡态时的体积(或晶格常数)和体弹性模量。
本例子中采用的是LDA-HGH赝势。
赝势的文件名为:
14si.4.hgh。
in.files的内容为(紫色标示):
#####Begin
INP #设置关键词的文件名为INP
OUT #主要的输出文件为OUT,该文件将被写入计算最重要的结果
sii
si
si
14si.4.hgh #赝势的文件名
######END
INP文件的内容为:
#CrystallinecubicSi
#
ndtset 11 #说明下面将有11组数据
acell:
3*9.8112 #晶格常数a=b=c,将从9.8112....a.u.开始增加
acell+3*0.09 #晶格常数将以0.09a.u.的间隔进行增加
#Groundstatecalculation
kptopt 1 #在k点网格取样时根据对称性来取样,并由下面的
#ngkpt和kptrlatt,或者nshiftk和shiftk来确定k点的数目
iscf 5 #采用CG方法对能量进行优化,用在基态计算中。
#######################################################################
#Definitionoftheunitcell
rprim
0.0 0.5 0.5 #下面三行定义了原胞的基矢,本例子中Si是fcc结构
0.5 0.0 0.5
0.5 0.5 0.0
#Definitionoftheatomtypes
ntypat1 #定义原胞中原子的类别的数目,本例子中只有1类原子
znucl14 #定义原胞中原子的核电荷数
#Definitionoftheatoms
natom2 #定义原胞中原子的总个数,本例子中有2个原子
typat 2*1 #定义每类原子的个数,本例子中第一类原子有2个
xred #下面定义了原胞中原子的坐标
0.0 0.0 0.0
0.250.250.25
#Givesthenumberofband,explicitely(donottakethedefault)
nband 16 #定义了要计算的能带的数目,最好按这样来设置:
#nband>原胞中总的价电子数目/2+10
#Exchange-correlationfunctional
ixc1 #定义交换关联函数,本例子中,采用的是TeterPade参数化的LDA形式
#Definitionoftheplanewavebasisset
ecut 20.0 #定义了平面波的切断动能
#Definitionofthek-pointgrid
ngkpt888 #下面定义了k点网格取样的大小
nshiftk4
shiftk0.50.50.5
0.50.00.0
0.00.50.0
0.00.00.5
#DefinitionoftheSCFprocedure
nstep60 #电子自洽迭代的最大步数
diemac12.0 #介电常数设置
tolvrs 1.0d-20 #电子自洽收敛的标准
------------END--------------
计算完后,得到OUT文件,用下面的命令:
grep'volume' OUT
得到如下的内容:
Unitcellvolumeucvol= 2.3610688E+02bohr^3
Unitcellvolumeucvol= 2.4266422E+02bohr^3
Unitcellvolumeucvol= 2.4934185E+02bohr^3
Unitcellvolumeucvol= 2.5614088E+02bohr^3
Unitcellvolumeucvol= 2.6306239E+02bohr^3
Unitcellvolumeucvol= 2.7010748E+02bohr^3
Unitcellvolumeucvol= 2.7727725E+02bohr^3
Unitcellvolumeucvol= 2.8457279E+02bohr^3
Unitcellvolumeucvol= 2.9199518E+02bohr^3
Unitcellvolumeucvol= 2.9954553E+02bohr^3
Unitcellvolumeucvol= 3.0722493E+02bohr^3
然后用下面的命令:
grep'Etotal' OUT
得到如下的内容:
>>>>>>>>>Etotal=-7.92750029752797E+00
>>>>>>>>>Etotal=-7.92997465524506E+00
>>>>>>>>>Etotal=-7.93167675973445E+00
>>>>>>>>>Etotal=-7.93266612552653E+00
>>>>>>>>>Etotal=-7.93299797094926E+00
>>>>>>>>>Etotal=-7.93272412167288E+00
>>>>>>>>>Etotal=-7.93189304516315E+00
>>>>>>>>>Etotal=-7.93055314505404E+00
>>>>>>>>>Etotal=-7.92874706916830E+00
>>>>>>>>>Etotal=-7.92651686675655E+00
>>>>>>>>>Etotal=-7.92390242137627E+00
因此,Volume和Etotal对应的关系为:
2.3610688E+02 -7.92750029752797E+00
2.4266422E+02 -7.92997465524506E+00
2.4934185E+02 -7.93167675973445E+00
2.5614088E+02 -7.93266612552653E+00
2.6306239E+02 -7.93299797094926E+00
2.7010748E+02 -7.93272412167288E+00
2.7727725E+02 -7.93189304516315E+00
2.8457279E+02 -7.93055314505404E+00
2.9199518E+02 -7.92874706916830E+00
2.9954553E+02 -7.92651686675655E+00
3.0722493E+02 -7.92390242137627E+00
下面就可以用Birch-Murnaghan3阶状态方程进行(BirchF,Phys.Rev.71,p809(1947))拟合得到体弹性模量和平衡状态下的体积:
V0 = 263.276940709097a.u.^3
B0 = 95.497(GPa)
第二章ABINIT参数设定与收敛测试
ABINIT计算晶体时主要参数的确定(切断动能和k点网格)。
在采用平面波赝势法进行固体的电子结构计算时,为了确保计算的精度和计算结果的可靠性,在计算晶体的物理性质之前,要进行几个重要参数的测试,以保证这些参数的选取使得计算结果有很好的收敛性,这些参数是平面波的切断动能和k点网格取样的大小。
下面以采用ABINIT计算立方的ZrO2晶体为例:
采用的赝势是40zr.psp_mod和8o.psp_mod(它们均是LDA的TM赝势)。
输入文件,in.files的内容为:
INP
OUT
zroi
zroo
zro
./40zr.psp_mod
./8o.psp_mod
在测试平面波切断动能的收敛性时,我们通过设置平面波切断动能从20Ha开始,以2Ha递增,直到58Ha,其他参数不变计算ZrO2的总能。
在ABINIT的输入文件中很方便的通过ndtset来设置。
输入文件INP如下(紫色标示):
#CrystallineZrO2-cubic
ndtset20#表示有20组数据
ecut:
20.0#平面波切断动能从20Ha开始
ecut+2#以2Ha递增,也就是Ecut为20.0+i*2.0,(i从1到20)
#Definitionoftheunitcell
acell3*9.65285#设置晶格常数a=b=c为9.65285a.u.
rprim
0.00.50.5#同上面的acell确定了原胞的基矢
0.50.00.5
0.50.50.0
#Definitionoftheatomtypes
ntypat2#设置原胞的原子种类数,这里有2类原子
znucl408#每类原子的核电荷数Z
natom3#原胞中总的原子数目,这里原胞总共有3个原子
typat12*2#第一类原子有1个,第二类原子有2个
xred#下面的按分数坐标给原胞中原子的坐标位置
0.000.0000.000
0.250.250.25
0.750.750.75
#Definitionofthek-pointgrid
kptopt1#设置生成k点的方法,这里表明有ngkpt和nshiftk来确定k点网格的大小
ngkpt888#设置对布里渊区进行8x8x8网格的划分
nshiftk4#对划分得到的k点按下面的偏移量进行平移
shiftk
0.50.50.5
0.50.00.0
0.00.50.0
0.00.00.5
#DefinitionoftheSCFprocedure
#ecut40.0
iscf5#自洽迭代中的算法,这里采用cg方法优化。
toldfe1.0d-10#自洽迭代迭过程总能收敛的标准
diemac3.0#体系宏观的介电常数
nstep60#最大自洽迭代步数
#Definitionoftheoutfileinformation
prtwf0#不输出波函数文件。
运行下面的命令
abinsOUT
对OUT采用进行分析,用下面的命令取出一些数据:
grep'ecut'OUT>summary
grep'Totalenergy(eV)'OUT>>summary
得到summary类似如下数据:
2.00000000E+01-2.16713704994688E+03
2.20000000E+01-2.17244914205186E+03
2.40000000E+01-2.17629539439455E+03
2.60000000E+01-2.17888687489711E+03
2.80000000E+01-2.18045824630388E+03
3.00000000E+01-2.18139622512928E+03
3.20000000E+01-2.18192168325676E+03
3.40000000E+01-2.18219516090481E+03
3.60000000E+01-2.18232706572898E+03
3.80000000E+01-2.18237668482667E+03
4.00000000E+01-2.18239923089573E+03
4.20000000E+01-2.18241955706857E+03
4.40000000E+01-2.18244775901834E+03
4.60000000E+01-2.18248714583389E+03
4.80000000E+01-2.18253519502611E+03
5.00000000E+01-2.18258901301065E+03
5.20000000E+01-2.18264245486986E+03
5.40000000E+01-2.18269485143783E+03
5.60000000E+01-2.18274313138312E+03
5.80000000E+01-2.18278585826504E+03
画图可以看到当Ecut取40Ha时,体系的总能有很好的收敛了。
下面测试对k点网格的,in.files的输入文件同上。
我们这里把k点网格从6x6x6开始增加,以2x2x2递增。
INP的输入文件(紫色标示):
#CrystallineZrO2-cubic
ndtset10
ngkpt:
666
ngkpt+222
#Definitionoftheunitcell
acell3*9.65285
rprim
0.00.50.5
0.50.00.5
0.50.50.0
#Definitionoftheatomtypes
ntypat2
znucl408
natom3
typat12*2
xred
0.000.0000.000
0.250.250.25
0.750.750.75
#Definitionofthek-pointgrid
kptopt1
#ngkpt888
nshiftk4
shiftk0.50.50.5
0.50.00.0
0.00.50.0
0.00.00.5
#DefinitionoftheSCFprocedure
ecut40.0
iscf5
toldfe1.0d-10
diemac3.0
nstep60
#Definitionoftheoutfileinformation
prtwf0
运行
abinisOUT&
计算完后对OUT进行分析,
grep'ngkpt'OUT>comment
grep'Totalenergy(eV)'OUT>>comment
取出得到的数据如下:
28.0000-2182.416564
60.0000-2182.416514
110.0000-2182.416506
182.0000-2182.416526
280.0000-2182.416499
408.0000-2182.416512
570.0000-2182.416506
770.0000-2182.416514
1012.0000-2182.416515
1300.0000-2182.416504
画图可以看到8x8x8的k点网格就能保证体系的总能很好的收敛了。
第三章ABINIT计算晶体的能带结构
采用第一原理的电子结构计算方法来计算晶体的能带结构一般来说,要进行两个步骤。
这不论是采用VASP、PWSCF还是ABINIT这些程序。
步骤为:
先进行自洽的电子结构迭代得到自洽计算得到的电荷密度,然后读入这个自洽得到的电荷密度,进行非自洽的计算得到体系的本征值。
下面以立方的ZrO2晶体为例,采用ABINIT来计算。
下面采用ndset这个关键词,在输入文件中输入这两步的控制参数,一次性计算完成得到能带结构。
并对相关的相关的输入参数进行解释:
采用的赝势是:
40zr.psp_mod和8o.psp_mod,输入文件in.files的内容为
INP
OUT
zroi
zroo
zro
./40zr.psp_mod
./8o.psp_mod
此in.files文件的内容设置了主要输入文件的名称和赝势文件所在的目录。
主要输入文件INP的内容为(紫色标示):
#CrystallineZrO2-cubic
ndtset2#表示有两组控制参数:
第一组控制参数用来设置自洽计算,第二组是非自洽的本征值计算
#Dataset1:
usualself-consistentcalculation
kptopt11#自洽计算中设置k点网格取样的方法,表明采用ngkpt和shfitk来设置k点网格。
nshiftk14#使生成的k点进行平移。
shiftk1
0.50.50.5
0.50.00.0
0.00.50.0
0.00.00.5
ngkpt1888#K点网格取样,网格划分的分割数
prtden11#表明输出电荷密度文件。
tolvrs11.0d-20#自洽计算收敛的标准
iscf15#自洽迭代计算时,采用CG方法来优化有效势
#Dataset2:
#用来设置本征值计算时的参数
iscf2-2#表明非自洽计算
getden2-1#读入上一组数据进行自洽计算得到的电荷密度文件
kptopt2-5#负数,表示下面计算能带计算时,有5段特殊线(由6个特殊k点来确定)
ndivk210121888#每段特殊线上分几等份
kptbounds2#特殊k点的坐标
0.50.250.75#Wpoint
0.50.00.0#Lpoint
0.00.00.0#Gammapoint
0.50.00.5#Xpoint
0.50.250.75#Wpoint
0.00.00.0#Gamma
enunit20#输出本征值时,本征值的单位,这里为0表示是以Hatree为单位给出
prteig21#表明输出本征值到文件中
#Definitionoftheunitcell
acell3*9.48196#设置晶常数
rprim
0.00.50.5#设置计算原胞的基矢(同上面的acell一起构成原胞的基矢)
0.50.00.5
0.50.50.0
#Definitionoftheatomtypes
ntypat2#原胞的原子种类数目
znucl408#每类原子的核电荷数
natom3#原胞中总的原子数目
typat12*2#表示第一个原子是第一类的,后面两个原子是第二类的。
xred#以分数坐标给出原子的位置
0.000.0000.000
0.250.250.25
0.750.750.75
#DefinitionoftheSCFprocedure
nband30#在计算中考虑多少条能带
ecut40.0#平面波切断动能
diemac3.0#体系的宏观介电常数,给一个近似值就可以了。
nstep60#自洽迭代时的最大步数
计算得到的本征值文件zroo_DS2_EIG内容为:
Eigenvalues(hartree)fornkpt=57kpoints:
kpt#1,nband=30,wtk=1.00000,kpt=0.50000.25000.7500(reducedcoord)
-1.41786-0.62938-0.62938-0.61620-0.26378-0.263780.145670.14721
0.239100.239100.277110.322750.496700.503020.574580.57458
0.617600.787690.909300.924300.924301.051591.051591.10749
1.200891.288911
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