如何用vasp计算Born有效电荷

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软件名称: 
VASP

VASP是采用的Berry phase方法来计算半导体和绝缘体材料的Born有效电荷。这种方法的介绍可以参考VASP手册上提到的文献。

如VASP手册上的介绍,在采用Berry phase方法来计算某个原子某个方向的Born有效电荷时,有两大步:
1) 计算离子未移动时(即平衡状态时)的极化(polarization); 2)手动移动所要计算的原子的位置,计算由原子偏离平衡态时的极化。每一大步中有包括了四个小步骤: i)自恰计算体系以得到收敛的电荷密度(CHG, CHGCAR文件)和波函数(WAVECAR); ii)计算G1方向上的电子极化; iii)计算G2方向上的电子极化; iv)计算G3方向上的电子极化。
最后从每一小步中的OUTCAR文件中找出极化各个部分的贡献: ev (电子项), bp (Berry phase项), ion (离子项),进行简单的数值加减计算,按差分方法计算得到Born有效电荷。 对每类原子的各个方向按同样的步骤进行计算处理,在计算时可根据晶体的对称性,只需要计算Born有效电荷张量的某些分量即可。

下面以计算AlAs的As原子的Born有效电荷为例来介绍具体操作步骤。
1、计算AlAs平衡态时的极化:
i)自恰计算平衡态时的AlAs,主要的输入文件:
INCAR:
SYSTEM = AlAs
ENCUT = 300
ISTART = 0
ICHARG = 2
ISMEAR = 0; SIGMA = 0.002
EDIFF = 1E-5
PREC = Accurate
(注 释: 这里采用ISMEAR=0; SIGMA=0.002,是因为所计算的体系是半导体或绝缘体,电子的占有数实际上固定的,非0就是2或1了,通过将ISMAR=0(即Gaussian 方法来确定电子占有数)且SIGMA设置为一个很小的值来达到一种类似PWSCF程序中的occupation-fixed 方法的效果。如果参看VASP的源代码,可以看到:代码里面会根据INCAR中设置了LBERRY = .TRUE.而自动将ISMEAR和SIGMA进行调整为默认的值:ISMEAR = 0; SIGMA = 0.00)。

KPOINTS:
4x4x4
0
Monma
4 4 4
0 0 0

POSCAR:
AlAs
5.57223
0.0 0.5 0.5
0.5 0.0 0.5
0.5 0.5 0.0
1 1
Direct
0.000 0.0000 0.0000
0.250 0.2500 0.2500

POTCAR,采用的是LDA的ultrasoft pseudopotential。
自恰计算完之后将得到的CHGCAR, CHG和WAVECAR保存。

ii)计算沿着G1方向上的电子极化:
输入文件如下:
INCAR:
SYSTEM = AlAs
ENCUT = 300
#ISTART = 0
#ICHARG = 2
ISMEAR = 0; SIGMA = 0.002
EDIFF = 1E-5
PREC = Accurate
LBERRY = .TRUE.
IGPAR = 1
NPPSTR = 8
DIPOL = 0.5 0.5 0.5

(注 释:要采用Berry phase方法来计算电子极化时,需在INCAR中设置LBERRY=.TRUE.,另外设置所要计算的方向即设置IGPAR (可赋的值为1,2,3分别表示G1, G2和G3方向), 沿着IGPAR方向上的一串k点的个数 即设置NPPSTR(注意的是,在平衡态时的计算和原子移动之后的计算中,它值应该是一样的),最后设置在计算离子的dipole时的参考点即设置 DIPOL(注意的是,它的设置需要使得原子移动前后的原子都在这个参考点的一侧。比如这个例子中 Al处于(0,0,0),As处于(0.25, 0.25, 0.25)位置,而将DIPOL设置为(0.5, 0.5, 0.5)和(0.125, 0.125, 0.125)都是可以的,但是在考虑移动Al原子时,不要将原子移动原胞之外即偏移量为负数;另外也不要将DIPOL设置在所要移动的原子上,如果是这样 的话,则会导致移动该原子后,该原子不在DIPOL的同一侧,使得原子移动之后的极化的Berry-phase项要比平衡态时的大很多。)

POSCAR和KPOINTS同i)中的。
将第i)计算得到的CHGCAR, CHG, WAVECAR拷贝过来,进行计算。
计算完后保存OUTCAR,从OUTCAR文件中找出极化的各个项的贡献,可以采用下面的命令:
grep '' OUTCAR

如下面的数据
Expectation value term: <R>ev
<R> = ( -0.00022, -0.00117, 0.00074 ) electrons Angst
Berry-Phase term: <R>bp
<R> = ( 0.00000, -0.00455, -0.00455 ) electrons Angst
ionic term: <R>ion
<R> = ( 15.32363, 15.32363, 15.32363 ) electrons Angst

(注释:后面的三列数据分别表示的是x, y, z方向的。)

iii)和iv)步同ii)类似,只是分别将IGPAR = 1改为IGPAR = 2和IGPAR = 3。
下面是计算G2方向时(即IGPAR=2)得到的数据:
Expectation value term: <R>ev
<R> = ( -0.00117, -0.00022, 0.00074 ) electrons Angst
Berry-Phase term: <R>bp
<R> = ( -0.00455, 0.00000, -0.00455 ) electrons Angst
ionic term: <R>ion
<R> = ( 15.32363, 15.32363, 15.32363 ) electrons Angst

下面是计算G3方向时(即IGPAR=3)得到的数据:
Expectation value term: <R>ev
<R> = ( -0.00117, 0.00074, -0.00022 ) electrons Angst
Berry-Phase term: <R>bp
<R> = ( -0.00455, -0.00455, 0.00000 ) electrons Angst
ionic term: <R>ion
<R> = ( 15.32363, 15.32363, 15.32363 ) electrons Angst

下面按公式计算计平衡态时<R>ev在G1、G2和G3方向上的平均值:
<R> ev, undistorted, average =
[( -0.00022, -0.00117, 0.00074 )+
( -0.00117, -0.00022, 0.00074 )+
( -0.00117, 0.00074, -0.00022 ) ]/3.0
= ( -0.00022-0.00117-0.00117, -0.00117-0.00022+0.00074, 0.00074+0.00074-0.00022 ) /3.0
=(-0.000853333, -0.000216667, 0.00042)

把平衡态时各个方向计算时得到<R>bp项求和:
<R>bp, undistorted, all =
( 0.00000, -0.00455, -0.00455 ) +
( -0.00455, 0.00000, -0.00455 ) +
( -0.00455, -0.00455, 0.00000 )
= ( -0.00455*2, -0.00455*2, -0.00455*2 )
= ( -0.0091, -0.0091, -0.0091)

那么平衡态时电子极化项 <R>el, undistorted就是:
<R> el, undistorted =<R> ev, undistorted, average + <R>bp, undistorted, all
=(-0.000853333, -0.000216667, 0.00042) +( -0.0091, -0.0091, -0.0091)
=(-0.000853333 -0.0091, -0.000216667 -0.0091, 0.00042 -0.0091)
=(-0.00995333, -0.00931667, -0.00868)

平衡态时离子极化项<R>ion, undistorted,在任意一个方向计算时得到的数据,即:
<R>ion, undistorted = ( 15.32363, 15.32363, 15.32363 )

2. 计算Al原子偏离平衡位置时的极化:
i)其中的INCAR, KPOINTS同第1 i)步中的,只是将POSCAR中 As原子的位置沿着某个方向略移动一个小量,如下:
POSCAR
AlAs
5.57223
0.0 0.5 0.5
0.5 0.0 0.5
0.5 0.5 0.0
1 1
Direct
0.000 0.0000 0.0000
0.250 0.2500 0.2300
(注释:这种设置是导致As在x和y方向上都移动了0.05572 angstrom,这个可以自己算出来,或者直接从移动前后两次计算的OUTCAR中的原子cartesian坐标进行简单的加减计算之后得到。)

然后作自恰计算,计算之后保存得到CHGCAR, CHG, WAVECAR。

ii)、计算原子移动之后,体系沿着G1方向的极化:
INCAR和KPOINTS的输入文件同第1 ii)步中的,将上一步保存下来的CHG, CHCAR和WAVECAR拷贝过来,然后计算得到OUTCAR,在保存后,从中可以找到相关的极化计算数据,通过下面的命令来查找:
grep '' OUTCAR

此例子的计算数据:
Expectation value term: <R>ev
<R> = ( -0.00091, -0.00100, -0.00030 ) electrons Angst
Berry-Phase term: <R>bp
<R> = ( 0.00000, -0.00475, -0.00475 ) electrons Angst
ionic term: <R>ion
<R>= ( 15.60224, 15.60224, 15.32363 ) electrons Angst

iii)& iv).计算原子移动后体系沿着G2和G3方向的极化:
INCAR和KPOINTS中的分别与第1 iii)&iv)步中的一样。
此例子计算得到的数据:
沿着G2方向的:
Expectation value term: <R>ev
<R> = ( -0.00100, -0.00091, -0.00030 ) electrons Angst
Berry-Phase term: <R>bp
<R>= ( -0.00475, 0.00000, -0.00475 ) electrons Angst
ionic term: <R>ion
<R> = ( 15.60224, 15.60224, 15.32363 ) electrons Angst

沿着G3方向的:
Expectation value term: <R>ev
<R> = ( -0.00233, 0.00032, -0.00029 ) electrons Angst
Berry-Phase term: <R>bp
<R> = ( -0.40026, -0.40026, 0.00000 ) electrons Angst
ionic term: <R>ion
<R>= ( 15.60224, 15.60224, 15.32363 ) electrons Angst

同样按公式计算出原子移动之后的极化:
将G1, G2, G3各个方向计算得到<R>ev项进行平均:
<R>ev, distorted, average =
[ ( -0.00091, -0.00100, -0.00030 ) +
( -0.00100, -0.00091, -0.00030 ) +
( -0.00233, 0.00032, -0.00029 )]/3.0
= ( -0.00091-0.00100-0.00233, -0.00100-0.00091+0.00032, -0.00030-0.00030--0.00029)/3.0
=(-0.00141333, -0.00053, -0.000103333)
将G1, G2, G3各个方向计算时得到<R>bp项求和:
《R》bp, distorted, all =
( 0.00000, -0.00475, -0.00475 )+
( -0.00475, 0.00000, -0.00475 )+
( -0.40026, -0.40026, 0.00000 )
=(0.00000-0.00475-0.40026, -0.00475+0.00000-0.40026, -0.00475 -0.00475+0.00000)
=(-0.40501, -0.40501, -0.0095)

由此得到原子移动之后电子极化项 <R>el, distorted:
<R>el, distorted= <R>ev, distorted, average + <R>bp, distorted, all
=(-0.00141333, -0.00053, -0.000103333)+(-0.40501, -0.40501, -0.0095)
=(-0.00141333-0.40501, -0.00053-0.40501, -0.000103333-0.0095)
=(-0.406423, -0.40554, -0.00960333)

原子移动后离子极化项<R>ion, distorted取任意一个方向上计算得到的数据<R>ion:
<R>ion, distorted = ( 15.60224, 15.60224, 15.32363 )

由此得到由于As原子的移动引起的极化变化为:
Delta <R>= <R>ion, distorted + <R>el, distorted - <R>ion, undistorted - <R>el, undistorted
= ( 15.60224, 15.60224, 15.32363 )+(-0.406423, -0.40554, -0.00960333) - ( 15.32363, 15.32363, 15.32363 )-(-0.00995333, -0.00931667, -0.00868)
=( 15.60224-0.406423-15.32363+0.00995333, 15.60224-0.40554-15.32363+0.00931667, 15.32363-0.00960333-15.32363+0.00868)
=(-0.11786, -0.117613, -0.00092333)

在 前面已经提到了这个是在As分别在沿着x, y方向上移动了0.05572 angstrom时的计算结果。那么由此可计算出As原子的沿着x,y方向上的Born有效电荷(实际上由于AlAs是立方晶体,As原子的Born有效 电荷沿着xx, yy, zz方向的都相等,xz, yz, xy方向上的都为0)按差分公式可以计算得到:
Z*As = TeX Embedding failed! <R> / TeX Embedding failed! xAs
=-0.11786/0.05572
=-2.11522

由于原胞所有原子的Born有效电荷各个方向的加起来要满足电荷中性的条件,AlAs中只有Al和As两类(也只有2个原子)原子,因此也可以得到Al的Born有效电荷为2.11522,这与ABINIT中的教程中计算的数据很接近。

原始出处:http://vasptutorial.blogspot.com/

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