حساب وظيفي هجين VASP لكثافة حالات السيليكون ونطاقات الطاقة
حزمة محاكاة فيينا من البداية (VASP) هو برنامج حاسوبي لنمذجة المواد على المستوى الذري من المبادئ الأولى، مثل حسابات البنية الإلكترونية وديناميكيات الجزيئات الميكانيكية الكمومية.
تعتبر VASP مناسبة لحساب الحلول التقريبية لمعادلة شرودنجر متعددة الأجسام. ويغطي مجموعة متنوعة من الأساليب الحسابية، بما في ذلك حل معادلة Kohn-Sham في إطار نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ومعالجة معادلة Roothaan في تقريب Hartree-Fock (HF). ومن بين الابتكارات الأخرى لـVASP هو أنه يدمج طريقة Hartree-Fock مع نظرية الكثافة الوظيفية لتشكيل طريقة وظيفية هجينة، مما يوفر للباحثين خيارات حسابية أكثر مرونة. بالإضافة إلى ذلك، تتوفر طرق وظيفة جرين (جسيمات شبه GW و ACFDT-RPA) ونظرية اضطراب العديد من الأجسام (مولر-بليسيت من الدرجة الثانية) في VASP.
في VASP، يتم تمثيل الكميات المركزية مثل مدارات الإلكترون الفردية، وكثافة شحنة الإلكترون، والإمكانات المحلية باستخدام مجموعات أساس الموجة المستوية. يتم وصف التفاعلات بين الإلكترونات والأيونات باستخدام الحفاظ على القاعدة أو طرق شبه الجهدية فوق الناعمة أو طرق الموجة المعززة بجهاز الإسقاط.
لتحديد الحالة الأرضية الإلكترونية، يستخدم VASP تقنيات فعالة لتوزيع المصفوفات التكرارية مثل طريقة التقليل المتبقي مع الفضاء التكراري العكسي المباشر (RMM-DIIS) أو خوارزمية ديفيدسون الكتلية. يتم دمجها مع مخططات خلط الكثافة الفعالة Broyden و Pulay لتسريع الحلقة المتسقة ذاتيًا.
مقدمة البرنامج التعليمي
سيتعلم هذا البرنامج التعليمي كيفية حساب نطاقات طاقة السيليكون باستخدام الوظائف الهجينة، وهو ما يشبه البرنامج التعليمي السابق (دليل البدء في استخدام VASP: حساب كثافة الحالات وعرض النطاق الترددي في السيليكون), يمكن للوظيفة الهجينة حساب نطاقات الطاقة وكثافة حالة المادة ذات فجوة النطاق الصحيحة، ولكنها تتطلب المزيد من موارد الحوسبة، لذلك يتم استخدام وحدة معالجة الرسومات (GPU) للعرض التوضيحي هذه المرة.
من خلال اتباع هذا البرنامج التعليمي، سوف تتعلم كيفية إنشاء INCAR وKPOITNS المطلوبة لحسابات الوظائف الهجينة VASP.
البرنامج التعليمي السابق (دليل البدء في استخدام VASP: حساب كثافة الحالات وعرض النطاق الترددي في السيليكون) يحتوي على 4 خطوات. يتطلب حساب هذه الوظيفة الهجينة خطوة واحدة فقط (سيتم تخطي التحسين الهيكلي) للحصول على كثافة الحالة ونطاق الطاقة للسيليكون.
تحضير ملفات الإدخال
يتطلب هذا البرنامج التعليمي إعداد أربعة ملفات: INCAR، POSCAR، KPOINTS وPOTCAR.
إنكار
Global Parameters
ENCUT = 300 (波函数截断能量)
PREC = Normal (精度设置)
LWAVE = .TRUE. (保存波函数)
LCHARG = .TRUE. (保存电荷)
ADDGRID= .TRUE. (增加格点加速收敛)
Static Calculation
ISMEAR = 0 (高斯占据数)
SIGMA = 0.1 (高斯展宽)
LORBIT = 11 (输出 DOSCAR 和 PROCAR)
NELM = 60 (最大电子步)
EDIFF = 1E-08 (电子步收敛判据)
HSE06 Calculation
LHFCALC= T (启动杂化泛函计算)
AEXX = 0.25 (杂化比例 0.25)
HFSCREEN= 0.2 (杂化屏蔽参数 0.2)
ALGO = ALL (最优化算法)
TIME = 0.4 (最优化算法步长)
PRECFOCK= N (FFT 精度)
بوسكار
Si #(体系名称)
1.0 #(放大系数 下面 3 行对应 3 个晶格矢量 )
0.0 2.75 2.75
2.75 0.0 2.75
2.75 2.75 0.0
Si #(元素)
2 #(对应元素原子数)
Direct #(采用分数坐标，下列为 2 个原子的分数坐标)
0 0 0
0.25 0.25 0.25
نقاط الكيبوينتس
0.060 5 5 5 10 0.060 83 6 19 6 20 16 13 9 # Parameters to Generate KPOINTS (Do NOT Edit This Line)
93
Reciprocal lattice
0.00000000000000 0.00000000000000 0.00000000000000 1
0.20000000000000 0.00000000000000 0.00000000000000 8
0.40000000000000 0.00000000000000 0.00000000000000 8
0.20000000000000 0.20000000000000 0.00000000000000 6
0.40000000000000 0.20000000000000 0.00000000000000 24
-0.40000000000000 0.20000000000000 0.00000000000000 24
-0.20000000000000 0.20000000000000 0.00000000000000 12
0.40000000000000 0.40000000000000 0.00000000000000 6
-0.40000000000000 0.40000000000000 0.00000000000000 12
-0.40000000000000 0.40000000000000 0.20000000000000 24 (以上为 scf 点位)
0.00000000000000 0.00000000000000 0.00000000000000 0 (以下为能带点位)
0.02777777777778 0.00000000000000 0.02777777777778 0
0.05555555555556 0.00000000000000 0.05555555555556 0
0.08333333333333 0.00000000000000 0.08333333333333 0
0.11111111111111 0.00000000000000 0.11111111111111 0
0.13888888888889 0.00000000000000 0.13888888888889 0
0.16666666666667 0.00000000000000 0.16666666666667 0
0.19444444444444 0.00000000000000 0.19444444444444 0
0.22222222222222 0.00000000000000 0.22222222222222 0
0.25000000000000 0.00000000000000 0.25000000000000 0
0.27777777777778 0.00000000000000 0.27777777777778 0
0.30555555555556 0.00000000000000 0.30555555555556 0
0.33333333333333 0.00000000000000 0.33333333333333 0
0.36111111111111 0.00000000000000 0.36111111111111 0
0.38888888888889 0.00000000000000 0.38888888888889 0
0.41666666666667 0.00000000000000 0.41666666666667 0
0.44444444444444 0.00000000000000 0.44444444444444 0
0.47222222222222 0.00000000000000 0.47222222222222 0
0.50000000000000 0.00000000000000 0.50000000000000 0
0.50000000000000 0.00000000000000 0.50000000000000 0
0.52500000000000 0.05000000000000 0.52500000000000 0
0.55000000000000 0.10000000000000 0.55000000000000 0
0.57500000000000 0.15000000000000 0.57500000000000 0
0.60000000000000 0.20000000000000 0.60000000000000 0
0.62500000000000 0.25000000000000 0.62500000000000 0
0.37500000000000 0.37500000000000 0.75000000000000 0
0.35526315789474 0.35526315789474 0.71052631578947 0
0.33552631578947 0.33552631578947 0.67105263157895 0
0.31578947368421 0.31578947368421 0.63157894736842 0
0.29605263157895 0.29605263157895 0.59210526315789 0
0.27631578947368 0.27631578947368 0.55263157894737 0
0.25657894736842 0.25657894736842 0.51315789473684 0
0.23684210526316 0.23684210526316 0.47368421052632 0
0.21710526315789 0.21710526315789 0.43421052631579 0
0.19736842105263 0.19736842105263 0.39473684210526 0
0.17763157894737 0.17763157894737 0.35526315789474 0
0.15789473684211 0.15789473684211 0.31578947368421 0
0.13815789473684 0.13815789473684 0.27631578947368 0
0.11842105263158 0.11842105263158 0.23684210526316 0
0.09868421052632 0.09868421052632 0.19736842105263 0
0.07894736842105 0.07894736842105 0.15789473684211 0
0.05921052631579 0.05921052631579 0.11842105263158 0
0.03947368421053 0.03947368421053 0.07894736842105 0
0.01973684210526 0.01973684210526 0.03947368421053 0
0.00000000000000 0.00000000000000 0.00000000000000 0
0.00000000000000 0.00000000000000 0.00000000000000 0
0.03333333333333 0.03333333333333 0.03333333333333 0
0.06666666666667 0.06666666666667 0.06666666666667 0
0.10000000000000 0.10000000000000 0.10000000000000 0
0.13333333333333 0.13333333333333 0.13333333333333 0
0.16666666666667 0.16666666666667 0.16666666666667 0
0.20000000000000 0.20000000000000 0.20000000000000 0
0.23333333333333 0.23333333333333 0.23333333333333 0
0.26666666666667 0.26666666666667 0.26666666666667 0
0.30000000000000 0.30000000000000 0.30000000000000 0
0.33333333333333 0.33333333333333 0.33333333333333 0
0.36666666666667 0.36666666666667 0.36666666666667 0
0.40000000000000 0.40000000000000 0.40000000000000 0
0.43333333333333 0.43333333333333 0.43333333333333 0
0.46666666666667 0.46666666666667 0.46666666666667 0
0.50000000000000 0.50000000000000 0.50000000000000 0
0.50000000000000 0.50000000000000 0.50000000000000 0
0.50000000000000 0.47916666666667 0.52083333333333 0
0.50000000000000 0.45833333333333 0.54166666666667 0
0.50000000000000 0.43750000000000 0.56250000000000 0
0.50000000000000 0.41666666666667 0.58333333333333 0
0.50000000000000 0.39583333333333 0.60416666666667 0
0.50000000000000 0.37500000000000 0.62500000000000 0
0.50000000000000 0.35416666666667 0.64583333333333 0
0.50000000000000 0.33333333333333 0.66666666666667 0
0.50000000000000 0.31250000000000 0.68750000000000 0
0.50000000000000 0.29166666666667 0.70833333333333 0
0.50000000000000 0.27083333333333 0.72916666666667 0
0.50000000000000 0.25000000000000 0.75000000000000 0
0.50000000000000 0.25000000000000 0.75000000000000 0
0.50000000000000 0.21875000000000 0.71875000000000 0
0.50000000000000 0.18750000000000 0.68750000000000 0
0.50000000000000 0.15625000000000 0.65625000000000 0
0.50000000000000 0.12500000000000 0.62500000000000 0
0.50000000000000 0.09375000000000 0.59375000000000 0
0.50000000000000 0.06250000000000 0.56250000000000 0
0.50000000000000 0.03125000000000 0.53125000000000 0
0.50000000000000 0.00000000000000 0.50000000000000 0
بوتكار
يتوافق النظام مع التركيبة المحتملة الزائفة للعناصر، وهنا هو الإمكانات الزائفة للسيليكون.
خطوات التشغيل
الآن دعونا ننتقل إلى الجزء العملي من البرنامج التعليمي. لقد قام البرنامج التعليمي بإعداد الحزم المطلوبة، حتى تتمكن من استنساخ الحاوية مباشرة. يستخدم هذا البرنامج التعليمي موارد الحوسبة RTX 4090، وصورة إصدار vasp 6.3.0-cuda11.8، ويعمل في مساحة العمل.
1. استنساخ الحاوية وبدء تشغيلها
1.1 انتظر حتى يتم تحميل الحاوية ثم انقر فوق "فتح مساحة العمل"
1.2 افتح المحطة الطرفية
1.3 أدخل دليل wfl
cd tutorials/wfl
1.4 قم بتحميل جهد السيليكون الكاذب المُجهز إلى دليل wfl
هنا يمكنك استخدامملف عينة للموقع الرسميPOTCAR الكاذبة المحتملة
2. تشغيل VASP
mpirun -n 1 vasp_std
3. تثبيت vaspkit
العودة إلى الدليل السابق
cd ..
3.1 تثبيت تبعيات بايثون
pip install numpy scipy matplotlib
3.2 تكوين vaspkit
chmod 777 setupvk.sh
./setupvk.sh
source ~/.bashrc
cd tutorials
4. استخدم vaspkit لمعالجة البيانات
4.1 رسم مخططات كثافة الحالات والنطاقات
أدخل إلى دليل wfl عن طريق الكتابة:
cd wfl
أدخل الأمر لتوليد بيانات كثافة الحالة:
vaspkit
111
1
أدخل الأمر لاستخدام vaspkit لمعالجة بيانات النطاق ورسمها:
vaspkit
252
2
من الممكن إنشاء كثافة الحالات ومخطط النطاق:
دعنا نستخدم vaspkit لعرض فجوة النطاق:
vaspkit
911
يمكن الحصول على أن فجوة النطاق السيليكوني المقدرة هي 1.2 إلكترون فولت، وهي قريبة من القيمة التجريبية النموذجية لفجوة النطاق السيليكوني البالغة 1.12 إلكترون فولت.
في البرنامج التعليمي السابق، كشفت حسابات DFT باستخدام vaspkit عن فجوة نطاق تبلغ 0.6133 إلكترون فولت، وهو ما يبعد كثيرًا عن القيمة التجريبية.
لذلك، يمكن للوظائف الهجينة حساب فجوة النطاق للمواد بدقة أكبر، ولكنها تتطلب المزيد من موارد الحوسبة.