VASP

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VASP软件介绍

VASP(Vienna Ab-inito Simulation Package)是维也纳大学Hafner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包。它是目前材料模拟和计算物质科学研究中最流行的商用软件之一。VASP是基于贋势平面波基组的第一性原理密度泛函计算程序,VASP软件作为目前国内国际上最权威的第一性原理计算软件,可以研究多种体系,包括金属及其氧化物、半导体、晶体、掺杂体系、纳米材料、分子、团簇、表面体系和界面体系等。

VASP不仅能够计算得到各种体系的平衡结构和能量,而且还能够对材料的电子性质进行精确的预测,深度剖析材料的各种理化性质。VASP软件功能强大,性能稳定,每年在许多国际核心期刊上发表上千篇文章(知名的杂志诸如Science、Journal of the American Society、Nano letters、Physical Review Letters等)。同时,VASP具有非常高效的计算效率,可以使用较小的内存就能实现大规模的高效率并行计算,是目前做固体材料第一性原理计算效率最高的商用软件之一。


VASP能计算的性质

  • VASP软件的基本原理是通过近似求解Schrödinger方程得到体系的电子态和能量,在密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)框架内求解Kohn-Sham方程。VASP采用周期性边界条件(或超晶胞模型), 基于密度泛函理论对原子、分子、表面、团簇等多种体系进行几何结构优化得到稳定构型,进而获得各种结构参数,包括稳定构型的晶格常数、各原子的位置、原子间的键长和键角

  • VASP软件通过求解Kohn-Sham方程获得体系的波函数和状态方程,进而计算出体系的总能量(包括体系总自由能及不含熵的能量),同时,再采用共轭梯度、最速下降法及Damped算法等计算出体系中各原子在xyz三个方向上的受力

  • VASP软件通过求解Kohn-Sham方程能够描述体系中的电子结构,计算多种电子性质,其中包括波函数(Wave function)、每个k点上的能级分布、每个原子在每个轨道上的电子态密度(Density of State,DOS)、能带结构(Band Structure,BS)、电子局域化函数(Electron Localization Function,ELF)、电荷密度(Charge Density)、自旋密度(Spin Density)等

  • VASP软件通过求解Kohn-Sham方程,在离子位置和静电场中加入线性响应,从而得到二阶导,用于计算弹性常数矩阵,Born有效电荷张量(玻恩有效电荷),介电函数实部和虚部、体系总磁矩,并在计算中自动考虑体系的对称性,其中线性响应只适用于局域和半局域泛函

  • VASP软件通过求解Kohn-Sham方程,通过在离子位置和格矢中加入有限差分及在离子位置和静电场中加入线性响应的计算方法,基于超晶胞近似处理,得到二阶导,从而计算出原子间力常数、弹性常数和Gamma点的声子频率,并在计算中自动考虑体系的对称性

  • VASP软件针对过渡金属(Fe、Co、Ni等)、过渡金属氧化物及过渡金属复合物等相关磁性材料,能够获得磁性体系的准确几何和电子结构及每个原子上的准确磁矩和自旋密度分布。同时,通过设置体系的初始磁矩,计算各种顺磁、铁磁、反铁磁、亚铁磁体系的几何和电子性质,每个原子上的准确磁矩和自旋密度分布

  • VASP软件针对过渡金属(Fe、Co、Ni等)、过渡金属氧化物及过渡金属复合物等相关磁性材料,还支持基本的自旋极化(Spin-polarized)、自旋轨道耦合(Spin-orbit magnetic)及非共线磁性(Non-collinear magnetic)计算方法,更准确的描述各种复杂的磁性体系

  • VASP软件针对电子间的库伦交互作用不可忽略的强关联电子体系(d层电子、f层电子)的过渡金属氧化物以及镧系稀土金属氧化物,增加了在位库伦修正的方法(on-site coulomb correction),通过Hubbard模型对各种体系的d或f轨道进行DFT+U的计算


VASP的贋势库

  • VASP软件是基于贋势和平面波基组的第一性原理密度泛函计算程序。VASP使用的是平面波基组,电子与原子核之间的相互作用使用投影缀加波贋势(Projector Augmented Wave,PAW)方法描述,从而进行量子力学计算。VASP采用PAW贋势,使得平面波基组尺寸非常小,描述原子一般不超过100个平面波基组,大多数情况下每原子50个平面波就能得到可靠结果。

  • VASP软件中的PAW贋势分为以下几种分类方法:1)按贋势支持的泛函种类分为GGA和LDA;2)按原子中是否处理的半芯态(semi-core),分为A,A_sv,A_pv和A_d;3)按赝势文件中截断能参数ENMAX的大小,分为普通赝势A,软赝势A_s(精度较低,速度较快)和硬赝势A_h(精度较高,速度较慢);4)用于支持GW计算的贋势为A_GW


VASP支持的泛函

  • VASP软件在密度泛函理论框架下,支持多种基于局域密度近似(LDA)与广义梯度近似(GGA)两种方法的混合泛函,版本包括:LDA、GGA-AM05、GGA-PBEsol(适用于固体材料)、GGA-PBE(应用最广)、GGA-rPBE(经过修正的GGA-PBE泛函)、BLYP泛函

  • VASP软件支持由密度泛函理论(DFT)的交换作用能和Hartree-Fock中的精确交换作用能按一定比例结合形成的杂化泛函(hybrid functional),用于精确计算材料的禁带宽度及相关的电子性质,包括版本有适用于固体的HSE06和PBE0、适用于分子的B3LYP(实验性的)

  • VASP软件包含适用于处理含有长程作用体系的范德华密度泛函(Van der Waals density functional),其中版本包括vdW-DF,vdW-DF2,optB86b-vdW,optB88-vdW,optPBE-vdW,rPW86-vdW2,revPBE-vdW

  • VASP软件支持meta-GGA泛函,通过减少在交换相关能公式中的动能密度部分误差,进一步提高VASP对不同体系总能量和原子结构及电子结构的计算精度。此种泛函包含多种版本:revTPSS、TPSS、M06-L、MBJLDA

  • VASP软件支持的meta-GGA泛函中的MBJLDA泛函,即为经过修正的Becke-Johnson meta-GGA泛函,此种泛函能够使用较少的计算量,但最终得到与杂化泛函(hybrid functionals)或GW方法这两种精确的计算方法接近的计算精度,适用于计算电子性质和能隙


VASP的算法特征

  • VASP软件通过近似求解Schrödinger方程得到体系的电子态和能量,既可以在密度泛函理论(DFT)框架内求解Kohn-Sham方程(已实现了混合泛函计算),也可以在Hartree-Fock(HF)的近似下求解Roothaan方程。此外,VASP也支持格林函数方法(GW准粒子近似,ACFDT-RPA)和微扰理论(二阶Møller-Plesset),支持屏蔽交换(Screened Exchange)

  • VASP软件为基于第一性原理的量子力学和分子动力学(从头分子动力学,ab initio MD)计算软件,在VASP的分子动力学中,每一步都采用有效矩阵对角和Pulay方法混合求解瞬时电子基态,能够指定温度、压力、总时间、时间步长等参数,系综方面支持蒙特卡洛计算具代表性的正则系综(NVT)和分子动力学计算具代表性的微正则系综(NVE)

  • VASP软件支持基于GW准粒子修正方法的材料激发态计算,完全含频GW,速度达到等离子极点模型:单发G0W0;在G和W中迭代本征矢直至自洽;(实验性的)迭代G(也可以选W)本征矢的自洽GW;(实验性的)对相关能使用RPA近似的GW总能量;用LDA计算G和W的顶点校正(局域场效应),仅能用于非自旋极化的情况;(实验性的)W的多体顶点校正,仅能用于非自旋极化的情况。GW顶点的Bethe-Salpeter(仅能用于非自旋极化的Tamm-Dancoff近似

  • VASP软件能够实现大规模的高效率并行计算,支持多核多节点并行计算,对核数和节点数均没有限制,支持单用户多用户同时使用

  • VASP使用高效的矩阵对角化技术求解电子基态。在迭代求解过程中采用了Broyden和Pulay密度混合方案加速自洽循环的收敛。

  • VASP可以自动确定任意构型的对称性。利用对称性方便设定Monkhorst-Pack特殊点,可用于高效地计算材料和对称团簇。Brillouin区的积分使用模糊方法或Blöchl改进的四面体布点-积分方法,实现更快的k点收敛。

 

 

 

 


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