2.3.3 静态自洽计算INCAR主要参数#

下面我们将详细介绍静态自洽计算时INCAR中的常用参数，并对主要用到的参数如何取值做一些说明

ISTART = 0
ICHARG = 2
LCHARG = .TRUE.
LWAVE = .TRUE.
ENCUT = 400
ISPIN = 1
LREAL = Auto

# for static
NSW = 0
ISMEAR = 0
SIGMA = 0.05
NELM = 60
EDIFF = 1E-06
#LORBIT = 11

ISTART=1或者0，如果是1就是读取当前目录下已有的WAVECAR开始计算，0就是从头开始生成波函数。（在用有限位移法算声子谱时，合理利用这个参数可以节省计算时间）

ICHARG = 2是以原子电荷叠加生成初始电荷密度，并做自洽计算。

LWAVE和LCHARG，如果你的体系不是很大（比如近百个原子）那建议设为TRUE，因为后续可能会用到这一步生成的WAVECAR和CHGCAR.

ENCUT，截断能，取POTCAR中最大ENMAX的1.3倍通常足够，或者直接一律520eV。有些特殊体系可能需要700甚至1000eV。

ISPIN=1或者2 如果取1就是不考虑自选极化（即电子上下自旋完全简并），取2就是考虑。这个依赖于先验知识，如果我们研究的Si显然是不用考虑磁性，那取1就行。但是对于含有Fe、Co、Ni等元素，甚至含有d电子或者f电子的元素时，建议开启ISPIN=2确认是否有自旋极化，磁性相关参数在3.6节中介绍。

LREAL=Auto针对大体系有加速效果，默认是FALSE

NSW=0就是离子不动，即做静态计算，结合ICHARG=2的自洽，就是静态自洽计算了。有时候也用IBRION=-1来实现“静态”的功能。

NELM是最大电子步。如果自洽迭代步数超过这个数值仍未达到收敛（OSZICAR中前后两次电子步的dE没有小于EDIFF），那么退出自洽计算，并输出此时的力和能量。请注意，一般60个电子步如果能量还没有收敛趋势（达到1E-3或-4），而是一直在1E-2和1E-1附近震荡甚至发散（1E+2），那么意味着后面也不会收敛。此时需要考虑的问题是“电子步不收敛”，见2.3.5节。

EDIFF的取值默认是1E-4 单位是eV，小体系（十个原子以内）可以取到1E-6甚至1E-8；大体系（几十个原子）可以适当放宽，取1E-5或者1E-6.

ISMEAR和SIGMA，这两个参数是配套的，不同体系有不同的取法。

https://www.vasp.at/wiki/index.php/ISMEAR

对于大部分计算来说，ISMEAR主要取三种：1、0和-5

体系是金属，那在scf和relax时设置为ISMEAR=1，SIGMA=0.2

体系是半导体/绝缘体，那ISMEAR=-5（此时不需要SIGMA）

如果不知道体系是金属还是半导体，那ISMEAR=0，SIGMA=0.05是安全的选择。

对于计算DOS和总能，ISMEAR一律取-5，此时不需要SIGMA。注意，做能带计算时，ISMEAR不取-5，建议取0.

无论如何，当你不确定取什么时，ISMEAR=0和SIGMA=0.05都会是安全的选择。此外，在计算其他性质比如结构优化、DFPT法算声子、AIMD、或者需要考虑磁性、层状材料的vdW、SOC和+U等效应时，会需要设置其它参数。

附：ISMEAR和SIGMA的补充说明

我们这里进行的是0K下的基态性质计算，对于真实系统，0K下电子分布是费米狄拉克分布，不会有展宽（如下图最左侧a），但是这会引入一个δ函数难以处理（阶跃函数的导数即为δ函数，也叫Dirac函数）。在实际求解过程都会使用一些smearing方法来避免直接处理δ函数，比如Fermi-Dirac smearing、Guassian smearing、Methfessel Paxton smearing等，于是就有了“展宽”sigma的概念。

\begin{array}{l} f_{FD} = \frac{1}{\exp (x) + 1} \\ x = \frac{E_{ik} - E_{F}}{σ} \\ f_{G} = \frac{1}{2} erfc (x) \\ erfc (x) = \frac{2}{\sqrt{π}} \int_{x}^{\infty} \exp (- t^{2}) d t \\ f_{MP} = \frac{1}{2} erfc (x) - \frac{1}{2 \sqrt{π}} x \exp (- x^{2}) \end{array}

对于Fermi-Dirac smearing, 对应的就是ISMEAR=-1的情况（自行查阅VASP手册官网中关于ISMEAR参数说明）。但是这通常会需要非常密的Kmesh才能得到可靠的结果，因为在Fermi-Dirac smearing下，T=300K对应的展宽sigma=0.026eV，越小的展宽需要越密的Kmesh来保证收敛。所以大部分计算都不用FD-smearing，更多使用Guassian和MP等。选定一个smearing方法，通过在某一展宽sigma下求解，最后再将结果（一般是能量，扣除掉了电子熵TS之后）对展宽sigma取极限，回归到基态0K的情况。对于一个合理的计算来说，TS部分（电子熵，上面图中的entropy TS）不应该超过1meV/atom，此时free energy，energy without entropy和energy(sigma-0)三者的差值不超过1meV/atom（可能由于计算精度不够会~10meV/atom）。

注意，对于高温下的金属体系模拟，电子熵的贡献（对能量和力的贡献）可能很重要，此时需要取ISMEAR=-1，以及相应的模拟温度下的SIGMA的值。

关于smearing以及展宽的问题请查阅：

（1）Density Functional Theory(David S. Sholl，中英文版都有)第三章第一节

（2）VASP早期论文:Kresse G, Furthmüller J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set[J]. Computational materials science, 1996, 6(1): 15-50.