自旋轨道耦合计算探索过程分析.docx
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自旋轨道耦合计算探索过程分析
自旋轨道耦合计算过程探索
1.经验总结
1)对于Bi2Se3家族材料,QL内是强共价结合作用,QL之间是范德瓦尔斯作用力。
所以,在优化结构时候,需要考虑范德瓦尔斯相互作用。
2)VASP手册上一共有5种计算范德瓦尔斯相互作用方法,如下:
Correlationfunctionals:
LUSEVDW=.TRUE.
thePBEcorrelationcorrectionAGGAC=0.0000
Exchange交换functionals
vdW-DF
vdW-DF2
方法一
方法二
方法三
方法四
方法五
revPBE
optPBE
optB88
optB86b
rPW86
GGA=RE
LUSE_VDW=.TRUE.
AGGAC=0.0000
GGA=OR
LUSE_VDW=.TRUE.
AGGAC=0.0000
GGA=BO
PARAM1=0.1833333333
PARAM2=0.2200000000
LUSE_VDW=.TRUE.
AGGAC=0.0000
GGA=MK
PARAM1=0.1234
PARAM2=1.0000
LUSE_VDW=.TRUE.
AGGAC=0.0000
GGA=ML
Zab_vdW=-1.8867
LUSE_VDW=.TRUE.
AGGAC=0.0000
一般,对于一种没有算过新材料,可以尝试以上五种方法,哪一种最合理就用哪个。
Bi2Se3家族材料,经测试最合适是optPBE-vdW方法。
3)测试发现,对于1QL和块体,范德瓦尔斯作用影响不是很影响;对于多个QL厚度薄膜,QL之间范德瓦尔斯作用影响比较明显。
4)文献上,很多人直接不优化结构,用实验上参数,这样算,得到结果也比较合理。
5)算soc加入LSORBIT=.TRUE.和LORBMOM=.TRUE.,
比LSORBIT=.TRUE.和GGA_COMPAT=.FALSE.得到结果更合理。
6)薄膜优化时候,可以用ISIF=2。
7)计算静态时候输出CHARG,能带时候ISTART可以等于0,ICHARG等于11。
7)薄膜结构需要中心对称,切得时候需要注意。
8)计算vdW,需要vasp5.2.12以上版本,并且将vdw_kernel.bindat文件放到计算文件夹中。
9)vdW相互作用对结构影响比较大,对后面静态计算和能带计算电子态影响比较小。
10)取合适K点,可以得到较为合理结构,对后面电子态计算影响也不是很大。
2.结构优化
赝势:
PAW_GGA_PBEEcut=340eVKpoints=10×10×10
ISMER取-5,计算能带时,取0,对应SIGMA=0.05
在MS中可以在build-Symmetry-中把Bi2Se3rhombohedralrepresentation(菱形表示)和hexagonalrepresentation(六角表示)相互转换
图中黑色t1、t2、t3基矢围成菱形原胞,用于计算块体,红色方框包含一个五元层
计算能带布里渊区高对称点:
块体:
文献中倒空间高对称点坐标Г(000)-Z(πππ)-F(ππ0)-Г(000)-L(π00),
根据正空间和倒空间坐标转换关系,得到正空间中高对称点坐标:
Г(000)-Z(0.50.50.5)-F(0.50.50)-Г(000)-L(00-0.5)
KPOINTS
20
Line-mode
Rec
0.00.00.0!
Г
0.50.50.5!
Z
0.50.50.5!
Z
0.50.50.0!
F
0.50.50.0!
F
0.00.00.0!
Г
0.00.00.0!
Г
0.00.0-0.5!
L
[通过比较结构,发现Ecut=580,KPOINTS=151515,得到结构比较靠谱]
Sb2Te3
Bi2Te3
Bi2Se3
晶格参数
六角a(Å)
4.250
4.383
4.138
六角c(Å)
30.35
30.487
28.64
菱形T(Å)
10.41
10.473
9.841
原子位置
μ(2Bi)
0.400
0.400
0.399
v(2Se2)
0.211
0.212
0.206
0(Se1)
0
0
0
3.块体soc计算
文献能带结构图:
块体(Bi2Se3-VASP-GGA-PAW-PBE)
我们结果(未考虑vdW+静态和能带都加soc计算结果及文献基本符合):
4.薄膜计算
薄膜:
Kpoints=10×10×1
计算能带K点和石墨烯(六角晶胞)K点一样:
KPOINTS
20
Lone-mode
Rec
0.666666670.333333330.0!
K
0.00.00.0!
Г
0.00.00.0!
Г
0.50.00.0!
M
考虑薄膜对称性
由MS六角结构,沿(001)方向切割,可以得到两种以Se原子作为表面原子薄膜,如下图,分别为1QL和3QL两种切法,右图比左图对称性要更好一些,这一区别在计算过程中会导致巨大区别,我们通过比较,发现,只有右图结果,才可以得到合理结果,尤其是在多个QL情况。
用左边结构得到结果(Bi2Se3):
用左边结构得到结果(Bi2Te3):
用右边结构得到结果(Bi2Se3):
1QL—根据块体数据得到薄膜,分以下两种情况计算:
1.不优化结构,scf不加soc,bands加soc
2.用块体参数,加vdW优化结构,scf不加soc,bands加soc
1QL—在静态中也加入soc
1.不优化结构,scf和bands加入LORBMOM=.TRUE.,LSORBIT=.TRUE.
2.不优化结构,scf和bands加入LORBMOM=.TRUE.,GGA_COMPAT=.FALSE.
3.优化结构,scf和bands加入LORBMOM=.TRUE.,LSORBIT=.TRUE.
4.优化结构,scf和bands加入LORBMOM=.TRUE.,GGA_COMPAT=.FALSE.
文献结果:
上图是没有进行离子弛豫1QL~6QLBi2Se3薄膜能带结构
上图采用optPBE-vdW泛函进行离子弛豫1QL~6QLBi2Se3薄膜能带结构
上图是实验观测1QL~6QL(12356)Bi2Se3薄膜能带结构.
5.调试过程错误总结
错误1:
VERYBADNEWS!
Internal errorinsubroutine IBZKPT:
Reciprocal latticeandk-latticebelongtodifferentclassoflattices.Oftenresultsarestilluseful... 48
Internal内部 subroutine子程序 Reciprocal倒数
非常严重错误!
子程序IBZKPT中内部错误:
倒格子和k点网格属于不同类型格子。
通常结果还是有用。
解决方案:
根据所用集群,修改INCAR中NPAR。
将NPAR=4变成NPAR=1,已解决!
错误2:
internalERRORRSPHER:
runningoutofbuffer 0 0
13 1 0
nonlr.F:
OutofbufferRSPHER
解决方案:
根据CPU数量,修改INCAR中NPAR,将NPAR=1修改成4(或者2),问题得以解决。
错误3:
WARNING:
Sub-Space-MatrixisnothermitianinDAV 4 -4.6812E-002
Sub-Space-Matrix 子空间矩阵、亚空间矩阵 Hermitian厄米共轭
警告:
戴维森方法(DAV)中子空间矩阵不是厄米共轭。
解决方案:
只需调整 AMIX,BMIX值,把他们设置小一些。
一般采用其默认值,除非在电子迭代难以收敛情况,才手动设置AMIX和BMIX等参数值。
经对Mixing方法调试,通过将默认AMIX=0.4,修改成AMIX=0.2(或0.3),问题得以解决。
Mixing方法:
IMIX=typeofmixing混合、混频, AMIX=linearmixingparameter, AMIN=minimalmixingparameter,
BMIX=cutoffwavevectorforKerkermixingscheme, AMIX_MAG=linearmixingparameterformagnetization,
BMIX_MAG=cutoffwavevectorforKerkermixingschemeformag,WC=weightfactorforeachstepinBroydenmixingscheme,
INIMIX=typeofinitialforeachstepinBroydenmixingscheme, MIXPRE=typeofpreconditioninginBroydenmixingscheme,
MAXMIX=maximumnumberstepsstoredinBroydenmixer.
错误4:
WARNING:
Sub-Space-MatrixisnothermitianinDAV 1 -7.626640664998020E-003
解决方案:
在INCAR中加上IALG=Fast 已解决!
(1QL、2QL已解决,3QL以上未解决)
IALG=Fast (两种方法混用)
IALGO=38 IALG=Normal 电子优化采用blockedDavidson方法
IALGO=48 IALG=Very_Fast 电子优化采用RMM-DIIS算法
错误5:
ADVICETOTHISUSERRUNNING'VASP/VAMP' (HEARYOURMASTER'SVOICE...):
Youhavea(moreorless)'smallsupercell'andforsmallercellsitisrecommendedtousethereciprocal-spaceprojectionscheme!
Therealspaceoptimizationisnotefficientforsmallcellsanditisalsolessaccurate...ThereforesetLREAL=.FALSE.intheINCARfile
解决方案:
对于较小晶胞(原子数小于20),设置LREAL=.FALSE.,计算结果比较精确。
而对于较大晶胞,设置LREAL=Auto,这样计算速度比较快。
对于1QL2QL3QL原子数分别为5、10、15,LREAL=.False.
对于4QL5QL6QL原子数分别为20、25、30,LREAL=Auto
错误6:
自旋轨道耦合计算时,静态和能带计算中出现错误:
ERROR:
noncollinearcalculationsrequirethatVASPiscompiledwithouttheflag-DNGXhalfand-DNGZhalf
错误:
非线性计算需要编译过VASP,VASP中不包含-DNGXhalf 和-DNGZhalf
解决方案:
重新编译VASP。
don'tforgetthatyoumayhavetore-compilevaspwithoutanyoftheprecompiler(CPP)flagsset:
-DNGXhalf,-DNGZhalf,-DwNGXhalf,-DwNGZhalf,asnecessaryfornon-collinearrunsingeneralfornon-collinearmagnetism
不要忘记如果你用vasp不包含任何预编译程序命令 -DNGXhalf,-DNGZhalf,-DwNGXhalf,-DwNGZhalf ,你必须重新编译vasp只有编译过,因为这些参数通常对于非线性磁性计算是必要.
错误7:
SB-3QL计算总是出现这个错误 VERYBADNEWS!
internalerrorinsubroutineSGRCON:
Foundsomenon-integerelementinrotationmatrix 3
解决办法:
首先检查POSCAR是否有问题。
MS重新获取POSCAR,参及计算,已解决。
错误8:
WARNING:
randomwavefunctionsbutnodelayformixing,defaultforNELMDL
建议解决办法:
一般不是很影响,可以继续算。
可以设置NELMDL=-5或者其它数,是前5步保持电荷密度不变,只弛豫波函数。
错误9:
计算结构得到一个空,然后算静态也没有数据,能带也没有数据,但都算完了。
输出文件中提示:
mpirunhasexitedduetoprocessrank21withPID8455onnodenode14exitingimproperly.Therearetworeasonsthiscouldoccur:
1.thisprocessdidnotcall"init"beforeexiting,butothersinthejobdid.Thiscancauseajobtohangindefinitelywhileitwaitsforallprocessestocall"init".Byrule,ifoneprocesscalls"init",thenALLprocessesmustcall"init"priortotermination.2.thisprocesscalled"init",butexitedwithoutcalling"finalize".Byrule,allprocessesthatcall"init"MUSTcall"finalize"priortoexitingoritwillbeconsideredan"abnormaltermination"Thismayhavecausedotherprocessesintheapplicationtobeterminatedbysignalssentbympirun(asreportedhere).
解决方案:
这是VASP版本问题,考虑vdW作用,有版本vasp算不了,一般5.2.12以上版本可以,换一个版本就可以计算。
错误10:
计算总是卡住,输出log文件中只有前面描述,没有后面数据,比如:
runningon 32totalcores[2016-05-1918:
42:
45]distrk:
eachk-pointon 32cores, 1groups[2016-05-1918:
42:
45]distr:
onebandon 8cores, 4groups[2016-05-1918:
42:
45]usingfromnow:
INCAR[2016-05-1918:
42:
45]vasp.5.3.318Dez12(buildMay19201515:
36:
57)complex[2016-05-1918:
42:
45] [2016-05-1918:
42:
45]POSCARfoundtypeinformationonPOSCAR SeBi[2016-05-1918:
42:
45]POSCARfound:
2typesand 15ions[2016-05-1918:
42:
45]LDApart:
xc-tableforPadeappr.ofPerdew[2016-05-1918:
42:
45]WARNING:
stressandforcesarenotcorrect[2016-05-1918:
42:
46]POSCAR,INCARandKPOINTSok,startingsetup[2016-05-1918:
42:
46]FFT:
planning...[2016-05-1918:
42:
47]WAVECARnotread[2016-05-1918:
42:
48]charge-densityreadfromfile:
Bi2Se3scf[2016-05-1918:
42:
49]magnetizationdensityofoverlappingatomscalculated
解决方案:
这种情况一般是由于计算量过大,算不动导致,通过减少精度,就可以解决。
比如,减少K点数量(主要影响因素)。
错误11:
VERYBADNEWS!
internalerrorinsubroutineSGRCON:
Foundsomenon-integerelementinrotationmatrix 2
解决问题:
一般是结构问题。
重新得到POSCAR,可以解决。