VASP 入门教程：计算硅的态密度和能带

VASP (Vienna Ab initio Simulation Package) 是一款广泛应用于材料科学、凝聚态物理和化学领域的第一性原理计算软件，能够求解多体薛定谔方程的近似解。它不仅在密度泛函理论 (DFT) 中高效求解 Kohn-Sham 方程，还在 Hartree-Fock (HF) 近似中精准求解 Roothaan 方程。此外，VASP 进一步拓展了其功能，实现了 Hartree-Fock 方法与密度泛函理论的混合泛函，为复杂体系的电子结构计算提供了更多选择。

• 本次教程主要内容：
  *结构优化
  *自洽计算（态密度）
  *能带计算

本教程将使用 VASP 来计算硅的态密度和能带。通过本教程学习，将了解 VASP 的 INCAR（vasp 功能控制文件）、POSCAR（结构文件）、POTCAR（赝势文件）和 KPOINTS（倒格矢格点）这 4 个基本输入文件的作用，并学会自行编写输入文件。

• 公共教程地址：https://go.openbayes.com/Ak0KY

使用云平台：OpenBayes
https://openbayes.com/console/signup?r=Dennis9801_1ohB

• 效果示例：

介绍输入文件

1. 结构优化

ISTART =  1            (读取初始波函数 WAVECAR 文件)
ISPIN  =  1            (本次计算为不考虑自旋的 DFT 计算)
# ICHARG =  11         (非自洽计算：用于计算能带本征值)
LREAL  = .FALSE.       (不在实空间投影计算)
LWAVE  = .TRUE.        (计算完毕输出并保存 WAVECAR)
LCHARG = .TRUE.        (计算完毕输出并保存 CHGCAR)
ADDGRID= .TRUE.        (增加格点密度加速收敛)
 

NSW    =  300          (最多运行 300 步离子步)
ISMEAR =  -5           (采用 Blöchl 修正的 tetrahedron 方法) 
IBRION =  2            (采用 2-CG 算法进行收敛)
ISIF   =  3            (优化期间原胞形状、体积和内部原子位置都将发生变化)
EDIFFG = -1.5E-02      (离子步收敛条件 eV/A)

POSCAR

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

KPOINTS

K-Spacing Value to Generate K-Mesh: 0.020 #采用GAMMA方法取样 
0
Gamma
  16  16  16
0.0  0.0  0.0

#取 16x16x16 个格点

POTCAR：系统对应元素的赝势组合，这里为 Si 的赝势

2. 自洽计算（态密度计算）

INCAR

ISTART =  1            (读取初始波函数 WAVECAR 文件)
ISPIN  =  1            (本次计算为不考虑自旋的 DFT 计算)
# ICHARG =  11         (非自洽计算：用于计算能带本征值)
LREAL  = .FALSE.       (不在实空间投影计算)
LWAVE  = .TRUE.        (计算完毕输出并保存 WAVECAR)
LCHARG = .TRUE.        (计算完毕输出并保存 CHGCAR)
ADDGRID= .TRUE.        (增加格点密度加速收敛)
 

ISMEAR =  -5           (采用 Blöchl 修正的 tetrahedron 方法)
NELM   =  60           (SCF 自洽步数最多为 60 步)
EDIFF  =  1E-08        (SCF 能量收敛条件)

POSCAR：采用上一步「1. 结构优化」中的输出的 CONTCAR，并将其改名为 POSCAR

KPOINTS：同「1. 结构优化」

POTCAR：同「1. 结构优化」

3. 能带计算

INCAR

ISTART =  1            (读取初始波函数 WAVECAR 文件)
ISPIN  =  1            (本次计算为不考虑自旋的 DFT 计算)
ICHARG =  11         (非自洽计算：用于计算能带本征值)
LREAL  = .FALSE.       (不在实空间投影计算)
LWAVE  = .TRUE.        (计算完毕输出并保存 WAVECAR)
LCHARG = .TRUE.        (计算完毕输出并保存 CHGCAR)
 

ISMEAR =  0            (能带计算需要使用高斯方法)
SIGMA  =  0.05         (高斯展宽)
NELM   =  60           (SCF 自洽步数最多为 60 步)
EDIFF  =  1E-08        (SCF 能量收敛条件)

POSCAR：同「2. 自洽计算（态密度计算）」

KPOINTS

K-Path Generated by VASPKIT.
   20   #k 点之间的间隔
Line-Mode
Reciprocal
   0.0000000000   0.0000000000   0.0000000000     GAMMA          
   0.5000000000   0.0000000000   0.5000000000     X              
 
   0.5000000000   0.0000000000   0.5000000000     X              
   0.6250000000   0.2500000000   0.6250000000     U              
 
   0.3750000000   0.3750000000   0.7500000000     K              
   0.0000000000   0.0000000000   0.0000000000     GAMMA          
 
   0.0000000000   0.0000000000   0.0000000000     GAMMA          
   0.5000000000   0.5000000000   0.5000000000     L              
 
   0.5000000000   0.5000000000   0.5000000000     L              
   0.5000000000   0.2500000000   0.7500000000     W              
 
   0.5000000000   0.2500000000   0.7500000000     W              
   0.5000000000   0.0000000000   0.5000000000     X    

POTCAR：同「1. 结构优化」

运行步骤

01 克隆并启动容器

1. 登录 http://OpenBayes.com，在「公共教程」页面，选择「VASP 入门教程:计算硅的态密度和能带」教程。

2. 页面跳转后，点击右上角「克隆」，将该教程克隆至自己的容器中。

3. 在「选择算力」处选择「cpu」，镜像选择「vasp」，OpenBayes 平台上线了新的计费方式，大家可以按照需求选择「按量付费」或「包日/周/月」，点击「继续执行」。新用户使用下方邀请链接注册，可获得 4 小时 RTX 4090 + 5 小时 CPU 的免费时长！

小贝总专属邀请链接（直接复制到浏览器打开）：
https://go.openbayes.com/9S6Dr

4. 等待模型分配好资源，状态变为「运行中」后，点击「打开工作空间」。

02 上传输入文件

1. 进入到工作空间后，打开「终端」，输入并运行命令「unzip tutorials.zip」解压压缩包。

2. 压缩包解压完成后可以输入「cd tutorials」进入解压目录。

3. 将我们提前准备好的赝势上传到「1_str」中。这里可以使用「官网示例：https://www.vasp.at/wiki/images/d/d1/5_4_Si_bandstructure.tgz 」里的赝势「POTCAR」。

03 运行 VASP

1. 输入「export OMP_NUM_THREADS=1」设置 openmp 参数。

2. 结构优化：输入下列代码进入 1_str 并运行 VASP。

cd 1_str mpirun -n 2 --allow-run-as-root vasp_std 

3. 运行完成后，输入以下代码将 POTCAR、WAVECAR、CHGCAR 和 CHG 复制到「2_scf」中并把 CONTCAR 也复制到「2_scf」中并更改为 POSCAR。

cp POTCAR WAVECAR CHG* ../2_scf cp CONTCAR ../2_scf/POSCAR

之后可输入「cd ../2_scf」进入「2_scf」目录进行查看。

4. 自洽计算（态密度计算）：输入代码运行「mpirun -n 2 --allow-run-as-root vasp_std」，这时 vasp 会读取上一步复制过来的 WAVECAR 和 CHGCAR。

5. 输入「cp POSCAR POTCAR WAVECAR CHG* ../3_band」将 POSCAR、POTCAR、WAVECAR、CHGCAR 和 CHG 复制到「3_band」中。

之后输入「cd ../3_band」，进入「3_band」目录。

6. 能带计算：输入「mpirun -n 2 --allow-run-as-root vasp_std」运行，这时 vasp 会读取上一步复制过来的 WAVECAR、CHGCAR 和 CHG，进行本征值计算。

输入「cd ..」回到输入文件主目录。

04 安装 vaspkit

1. 安装 python 依赖并配置 vaspkit：输入「pip install numpy scipy matplotlib」安装「python」依赖，输入以下代码配置「vaspkit」。

chmod 777 setupvk.sh ./setupvk.sh source ~/.bashrc  cd tutorials

05 使用 vaspkit 处理数据

1. 绘制态密度图：输入「cd 2_scf」，进入「2_scf」。输入以下代码使用 vaspkit 处理数据并绘图。等待运行完成后，可以在目录中找到生成出的图片，即硅的态密度图片。

vaspkit 
111 
1

2. 绘制能带图：输入「cd ..」返回目录，输入「cd 3_band」进入「3_band」目录，运行以下代码得到硅的能带图。

vaspkit
 211
 1