2.2 VASP四个输入文件#

（1） POSCAR：研究对象的原子排列结构

原子结构和电子结构决定物质的性质。首先我们需要知道研究对象的结构信息，即原子的空间排列。在这里我们研究对象是常温常压下具有金刚石结构的单质硅Si，其空间群为Fd-3m，结构示意图如下：

请注意，这里我们取的是cubic的晶胞，含有8个原子，并非原胞。如果你对上面提到的这些概念陌生，请复习《固体物理》或者《晶体物理学》。

将其写成POSCAR文件内容如下：

Si8
1.0
5.4687280655 0.0000000000 0.0000000000
0.0000000000 5.4687280655 0.0000000000
0.0000000000 0.0000000000 5.4687280655
Si
8
Direct
0.250000000 0.250000000 0.250000000
0.000000000 0.500000000 0.500000000
0.250000000 0.750000000 0.750000000
0.000000000 0.000000000 0.000000000
0.750000000 0.250000000 0.750000000
0.500000000 0.500000000 0.000000000
0.750000000 0.750000000 0.250000000
0.500000000 0.000000000 0.500000000

在刚刚新建的test文件夹里面，用vim命令创建一个名为POSCAR，内容如上的文件。注意，文件名需严格为POSCAR，不能小写或其它字母。创建成功之后下载到本地windows并用vesta查看。

现在我们对POSCAR文件的格式和内容做一些说明：

第一行内容任意，建议写成体系的名称；

第二行是无量纲的晶格缩放系数，通常取1就行；

三到五行是胞的晶格信息，即三个基矢a1 a2 a3在xyz基矢下的坐标，单位是Å

第六行是元素类型，这里只有一种元素Si

第七行是胞里面元素对应的原子个数，这个胞里有8个Si原子，所以数字是8

第八行只有两种写法，要么Direct要么Cartesian，这里D和Direct以及任何以大写D开头的词效果都是一样的。类似的，Ca和Cartesian以及C也是一样效果。注意，这一行强烈建议顶格，前面不要空格。

第九行开始是原子坐标信息，和第八行配套。在这里，第八行开头是D，表示分数坐标，所以第九行0.25 0.25 0.25意思就是以a1 a2 a3为基矢，在(0.25 0.25 0.25)坐标上放置一个Si原子，其余类似；如果是Cartesian，表示笛卡尔坐标，是以xyz为基矢的绝对坐标。D和C只是两种表示方法而已，他们可以相互转换。比如同样是刚才的结构，现在以Cartesian坐标给出如下：

Si8
1.000
5.4687280654999997 0.0000000000000000 0.0000000000000000
0.0000000000000000 5.4687280654999997 0.0000000000000000
0.0000000000000000 0.0000000000000000 5.4687280654999997
Si
8
Cartesian
1.3671820163749999 1.3671820163749999 1.3671820163749999
0.0000000000000000 2.7343640327499998 2.7343640327499998
1.3671820163749999 4.1015460491250000 4.1015460491250000
0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000
4.1015460491250000 1.3671820163749999 4.1015460491250000
2.7343640327499998 2.7343640327499998 0.0000000000000000
4.1015460491250000 4.1015460491250000 1.3671820163749999
2.7343640327499998 0.0000000000000000 2.7343640327499998

因此这个POSCAR表示了一个晶格常数为5.4687Å的cubic结构，里面特定位置处有8个Si原子。如果在Direct坐标下，把第二行的1改成2，其余不变，就相对于把整个体系边长扩大2倍，体积扩大了8倍。但如果你是在Cart下把第二行改成了2，那情况就不一样。可以自行尝试，并用vesta可视化。

注意：由于计算精度有限，坐标到第六七位开始其实就没有意义了。比如晶格常数3.333013887156和3.333014本质上并没有太大差别。

如果结构里有多种元素，比如4个Si，4个C，写法如下图。这表示Direct下面开始的前4行是Si原子，之后的4行是C原子的坐标。因此，你很容易知道更多原子类型的POSCAR应该怎么写了。

Si8
1.0
5.4687280655 0.0000000000 0.0000000000
0.0000000000 5.4687280655 0.0000000000
0.0000000000 0.0000000000 5.4687280655
Si C
4 4
Direct
0.250000000 0.250000000 0.250000000
0.000000000 0.500000000 0.500000000
0.250000000 0.750000000 0.750000000
0.000000000 0.000000000 0.000000000
0.750000000 0.250000000 0.750000000
0.500000000 0.500000000 0.000000000
0.750000000 0.750000000 0.250000000
0.500000000 0.000000000 0.500000000

（2） INCAR：控制计算参数，做scf/relax/band……

在Linux下用vim创建一个名为INCAR的文件，里面内容如下（右边#后面的内容不写）。

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

INCAR的内容取决于计算任务，比如静态计算、结构优化、分子动力学模拟的INCAR就各有不同。上面是一个用于我们稍后的静态自洽计算对应的INCAR。

INCAR格式问题：编写INCAR时避免在Linux下使用tab键，可以使用键盘上的空格键；参数后面的“=”前后是否有空格无所谓；

INCAR中实际的参数有上百个，没有给出的参数就意味着取默认值。前面用#表示注释掉，即在计算时软件会自动取默认值。INCAR中的参数可以分四类：

a. 计算模型的参数：比如截断能ENCUT、自旋参数ISPIN、LDA+U的参数、离子步NSW、力收敛EDIFFG、能量收敛EDIFF等。

b. 控制输出文件的参数：是否写下波函数/电荷密度文件LWAVE/LCHARG）

c. 帮助自洽迭代能收敛的参数：比如IALGO、AMIX、ADDGRID等

d. 提升计算效率的参数：NCORE，NPAR等

这些参数的含义在2.3.3节中解释，在这一步中，你只需要写出这个一个INCAR文件，然后跟着教程往下走即可。

(3) KPOINTS：直接决定了计算精度和时长

用vim创建一个名为KPOINTS的文件，里面内容如下：

K-point
0
Auto
20

KPOINTS写法有很多种，并且针对不同计算需要用不同的写法。对于常规的静态自洽计算和结构优化计算，上面是一种比较好用的KPOINTS的写法。这种格式的KPOINTS适用于不同晶格类型的3D体系的静态自洽计算和结构优化计算。第一行随便写内容，不能没有；第二行用0就行；第三行写Auto；核心在第四行的数字（整数）。这个数字越大，计算精度通常越高，计算所需时间越长，内存越大。其物理含义是在倒空间的第一布里渊区中，在三个倒格基矢b1 b2 b3方向上自动布点。20代表了在每个倒格矢上布点间隔为 $2 π \times 0.05 Å^{- 1}$ （其中0.05是20的倒数）。比如在我们的8原子的Si结构中，由固体物理知识，对于这种abc三条轴夹角90°的特殊结构，很容易计算三条倒格矢长度都是 $2 π \times 0.183 Å^{- 1}$ ，其中0.183是晶格常数5.469的倒数。因此在每条基矢方向撒点的数目就约等于 $\frac{2 π \times 0.183}{2 π \times 0.05} \approx 4$ ，所以撒点网格就是4x4x4，一共有64个点。这个撒点的目的是为了将连续积分离散化，变成求和，离散程度越高，对应的网格划分约密，求和值理论上就越接近积分值。但并不意味着21一定比20好，这涉及到一个k点收敛的问题。

与之等价的另外一种KPOINTS的写法如下：

K-Spacing Value to Generate K-Mesh: 0.050
0
Monkhorst-Pack
4 4 4
0.0 0.0 0.0

这样撒点的目的是在自洽计算中对整个第一布里渊区进行采样，计算每个k点的能量Ek。在这里，你只需要写出这样的KPOINTS文件即可。在真正做计算面对不同的体系时，我们借助vaspkit来自动生成这样格式的KPOINTS文件。如果是2D或者1D材料，建议采用这种写法的KPOINTS。具体取法在后面2.3.4节中介绍。

同时，目前VASP支持将KPOINTS的内容写进INCAR中，用KSPACING和KGAMMA两个参数来代替KPOINTS文件。 $2 π \times 0.05 Å^{- 1} = 0.314$ ，因而对应的KSPACING值为0.314。初学阶段仍建议写出KPOINTS文件。

在这个例子中，用于本次静态计算演示，建议你手写第一种格式。

（4） POTCAR：赝势文件，描述原子电子间相互作用

请自行向课题组里的师兄师姐寻求VASP的赝势文件，在本次例子中，你需要一个Si的POTCAR文件（不带后缀的文件夹里面的）。POTCAR文件取决于体系的元素类型，具体来说就是取决于POSCAR中元素那一行内容。POTCAR文件是VASP官方生成的，计算时不需要人为改动（除了个别情况）。文件名需要严格为POTCAR，不可小写或其它名字。VASP是付费软件，它的赝势文件POTCAR是有版权的，因此在这里我不能轻易分享出来。另外，赝势随着VASP软件的更新也有不同版本，建议至少用5.4以及以后的赝势版本。

POTCAR里面内容很长，上千行，我们只需要关心前面几十行，如下。

 PAW_PBE Si 05Jan2001
  4.00000000000000
parameters from PSCTR are:
  VRHFIN =Si: s2p2
  LEXCH = PE
  EATOM     103.0669 eV,   7.5752 Ry
  TITEL = PAW_PBE Si 05Jan2001
  LULTRA         F    use ultrasoft PP ?
  IUNSCR  =      1    unscreen: 0-lin 1-nonlin 2-no
  RPACOR     1.500    partial core radius
  POMASS =  28.085  ZVAL       4.000   mass and valenz
  RCORE      1.900    outmost cutoff radius
  RWIGS  =   2.480  RWIGS      1.312   wigner-seitz radius (au A)
  ENMAX  = 245.345  ENMIN    184.009 eV
  ICORE          2   local potential
  LCOR           T    correct aug charges
  LPAW   =       T   paw PP
  EAUG     322.069
  DEXC   =   0.000
  RMAX   =   1.950    core radius for proj-oper
  RAUG       1.300    factor for augmentation sphere
  RDEP   =   1.993    radius for radial grids
  RDEPT =    1.837    core radius for aug-charge
  Atomic configuration
   6 entries
    n  1  j            E       occ.
    1  0 0.50     -1785.8828  2.0000
    2  0 0.50      -139.4969  2.0000
    2 1  1.50       -95.5546  6.0000
    3  0 0.50       -10.8127  2.0000
    3  1 0.50        -4.0811  2.0000
    3  2 1.50        -4.0817  0000:0

第一行PAW_PBE：表明是采用PAW方法描述电子离子作用，且是GGA-PBE泛函。

LEXCH:泛函类型，PE就是PBE，CA就是LDA。

ZVAL：该赝势（PAW势）所考虑的价电子数目，这里把Si外层的4个电子视为价电子。价电子构型可以从下面的Atomic configuration看到，这里最外层是3s²3p². 对于其他元素，比如Fe，有26个电子，通常只会把最外层的8个或者16个电子视为价电子，其余的视为芯电子。因为内层电子通常不参与成键。

RCORE：原子核+芯电子的半径(Bohr单位，1.9Bohr=1.9*0.5292=1.005Å)，当原子间距接近该值时，赝势可能失效。

RWIGS：把原子视为硬球时的半径，第一个数值是Bohr单位下的。后面算PDOS时会再次遇到。

ENMAX：建议截断能（eV），和INCAR中的ENCUT设置密切相关

其余内容可以参考：https://blog.sciencenet.cn/blog-567091-729732.html

由于本次演示的体系中只有Si一种元素，因此POTCAR文件直接用VASP的赝势库文件夹Si里面的POTCAR即可。如果POSCAR中有多种元素，比如含有Si C两种原子时，那就需要使用cat命令把Si和C各自的POTCAR拼接成一个，注意前后顺序要和POSCAR一致。

cat xxx/Si/POTCAR xxx/C/POTCAR > POTCAR （注意空格,xxx是赝势路径）

这条命令会把C的POTCAR拼接在Si的POTCAR后面，并组成一个新的POTCAR。在实际的计算中，我们常常会使用vaspkit来自动实现这一步，在3.2中有介绍