
结构优化又叫结构弛豫(structure relax),是指通过对体系的坐标进行调整,使得其能量或内力达到最小的过程,与动力学退火不同,它是一种在0K下用原子间静力进行优化的方法。可以认为结构优化后的结构是相对稳定的基态结构,能够在实验之中获得的几率要大些(当然这只是理论计算的结果,必须由实验来验证)。
SERIES · AI for Science
2024-11-22 · 15 min read · by GUMP

结构优化又叫结构弛豫(structure relax),是指通过对体系的坐标进行调整,使得其能量或内力达到最小的过程,与动力学退火不同,它是一种在0K下用原子间静力进行优化的方法。可以认为结构优化后的结构是相对稳定的基态结构,能够在实验之中获得的几率要大些(当然这只是理论计算的结果,必须由实验来验证)。
一般要做弛豫计算,需要设置弛豫收敛标准,也就是告诉系统收敛达成的判据(convergence break condition),当系统检测到能量变化减小到一个确定值时例如EDIFFG=1E-3时视为收敛中断计算,移动离子位置尝试进行下一步计算。EDIFFG这个值可以为负,例如EDIFFG=-0.02,这时的收敛标准是当系统发现所有离子间作用力都小于给定的数值,如0.02eV/A时视为收敛而中断。
弛豫计算主要有两种方式:准牛顿方法(quasi-Newton RMM-DIIS)和共轭梯度法(CG)两种。准牛顿方法计算速度较快,适合于初始结构与平衡结构(势能面上全局最小值)比较接近的情况,而CG方法慢一些,找到全局最小的可能性也要大一些。选择方法为IBRION=1时为准牛顿方法而IBRION=2时为CG方法。
结构优化也叫结构迟豫。是指对整个输入体系的坐标进行调整,得到一个相对稳定的基态结构。结构优化分原子迟豫和电子迭代两个嵌套的过程,每次计算中都进行原子迟豫和电子迭代计算(电子迭代嵌套在原子迟豫中),达到原子迟豫收敛标准时进行下一步计算,直到达到自动中断或者最大原子迟豫步数。(通常以前后两次总自由能之差或 原子所受最大的力 作为原子迟豫的收敛标准,电子自洽迭代计算以总能作为收敛标准,默认为10-4,因电子迭代的嵌套特性,以及电子迭代和原子迟豫的收敛速度不同,最终以原子迟豫最大步数作为强制停止参数)
通过结构优化使体系达到相对稳定结构,因此可以得到体系的总能量(哪个能量??)、晶体结构参数(可以得到包括晶格常数、结合能等)
同时得到CONTCAR(离子迟豫时,每步移动后的体系的晶格参数,和POSCAR内容相同。因此结构优化完成后,要使用输出的优化CONTCAR拷贝成POSCAR进行下一步的静态自洽计算,对电子结构做进一步调整 )
导入.cif文件,用vaspkit产生POSCAR
根据.cif文件生成POSCAR
关键字解释:
pv赝势:
CHG和CHGCAR:电荷密度展示和计算的电荷文件
CONTCAR:结构优化获得的结构文件
DOSCAR:存放的态密度数据文件
EIGENVAL:绘制能带所需的本征值数据
IBZKPT:程序自动产生的布里渊去k点
OSIZCAR:每一个离子步和电子步的收敛信息
OUTCAR:总体的输出文件
PCDAT:对关联式文件,对于分子动力学计算有用
WAVECAR:存放体系的波函数
XDATCAR:存放结构优化的结构轨迹
step1产生的CONTCAR改为POSCAR
ISIF改为2
| ISIF值 | 优化离子位置 | 优化晶胞形状 | 优化晶胞体积 | 计算应力 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 | 是 | 否 | 否 | 否 | 固定晶胞形状和体积,仅优化原子位置。 |
| 3 | 是 | 是 | 否 | 是 | 优化晶胞形状(保持体积不变),适用于表面或界面计算。 |
| 4 | 是 | 是 | 是 | 是 | 全优化(形状+体积+离子位置),适用于体材料(如块体晶体)。 |
| 5 | 是 | 否 | 否 | 是 | 类似ISIF=2,但计算应力(不常用)。 |
| 6 | 否 | 是 | 是 | 是 | 仅优化晶胞(形状+体积),不优化原子位置(如晶格参数扫描)。 |
| 7 | 是 | 是 | 是 | 是 | 与ISIF=4相同(VASP默认值,需确认版本差异)。 |