Ex44 p(1x1)Cu(111) 的优化计算

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前面我们学习了Slab模型的单点计算，在此基础上，本节我们主要学习下怎么优化Slab模型。

1 修改Slab模型

前面单点计算的POSCAR不可以直接拿过来用吗？为什么要修改POSCAR文件？

这是因为在Slab模型中，要固定一部分原子来模拟体相，然后放开一部分原子来模拟表面。一般来说，表面的两层原子允许弛豫，而下面的那些原子则直接固定住。

这样做的物理意义在于：在真实的环境下，催化剂体相看做是不变的，只有表面的原子参与催化反应。

VASP中固定原子需要在POSCAR中进行操作。有两个关键点：

1）在POSCAR的第7行后添加一行，改行内容为Selective Dynamics，VASP只认第一个字母，你可以直接在这一行只加 S或者s。也可以换成其他的S开头的单词，比如SB，Sexy BigBro ， Super BigBro等等；
2）在原子坐标后面加上 F 或者 T 表示固定或者放开，因为坐标有xyz三个数值，因此我们需要三个F或者T。我们可以通过设置允许原子在某一方向上移动，而其他方向上固定。

  • F F F表示xyz全部固定；
  • T T T 表示xyz全部放开，
  • F F T 表示 xy方向固定，只允许原子在z方向上移动。

这一点我们前面也已经讲过了，详见Ex24 频率计算的输出与POSCAR原子的固定。

注意：

  • 如果前面的POSCAR直接拿过来直接用，那么在优化过程中所有的原子都会被放开。回想一下我们计算Fe, Cu单胞的例子，计算中我们没有设置F或者T，晶胞尺寸和原子的坐标在优化过程前后都发生了变化。因此你不设置Selective 以及 F或者T，VASP默认是所有的原子都放开的。
  • Selective 和 F 或者 T同时出现，不要只设置Selective忘了FT，也不要只设置FT忘了Selective.

2 如何修改？

根据前面说，我们需要做的无非有两步，
1） 在第7行后加入Selective Dynamics
2） 在坐标后面加入T T T或者 F F F
我们在本节中，将底部的两层原子固定，上面两层放开。

实现本目的，有以下几种方式：

2.1）这个用文本编辑器就可以做到，很多编辑器都有列块模式，允许你同时添加N列到每行的最后。你可以使用下Notepad++，Atom这些免费开源的软件来操作

2.2）使用p4vasp，详见前面的练习Ex24

2.3） 本节我们重温一下sed的用法，直接使用命令进行操作。

A) 在第 7行 后添加一行：

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sed  -i  '7aSelective Dynamics'  POSCAR

7a 代表在第7行后面添加一行，a 是append的缩写。注意，a 和 Selective之间可以没有空格，也可以有空格，这里我们没有加空格。

B） 添加了Selective这一行之后，原子坐标的行数也发生了变化，为10-13行。

C） 第10，11行为底部的两层原子坐标，我们在最后面加上F F F

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sed  -i  '10,11s/$/ F F F/g' POSCAR

注意： 第一个F前面有个空格。

d） 在12-13行最后面加上 T T T

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sed  -i  '12,13s/$/ T T T/g' POSCAR

这样，我们就顺利完成POSCAR的改造了，可以用来进行slab的优化计算了。

3 KPOINTS 和 POTCAR

保持原来的样子不变

4 INCAR

优化的时候，我门回想一下要设置的东西：
4.1IBRION 和 POTIM
IBRION可以使用 1 和2，我们这里用2。（1的话适合初始结构比较好的情况，这里我们也可以用。）
POTIM =0.1 官网默认值是0.5，个人感觉比较大， 0.1是一个很不错的选择。
4.2 EDIFFG = -0.01优化时以力作为收敛标准。注意 -0.01 已经很严格了，除非特殊需要，不要设置-0.001，这样你就会在QQ群里求助大家，为什么我优化的时候一直不收敛啊。如果设置-0.01，很多步过后仍然不收敛，可以尝试一下-0.02，也是一个很安全的选择。
4.3 NSW = 500 设置最大的优化步数。
4.4 ISIF = 2 slab 模型优化的时候，我们用ISIF =2 ，也就是VASP的默认值，不用设置， 最终INCAR如下：

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System = Cu111

ISMEAR = 1
SIGMA = 0.1
ALGO = FAST
ENCUT = 450
EDIFF = 1E-5

LDIPOL = .TRUE.
IDIPOL = 3

NWRITE = 0
LWAVE = .FALSE.
LCHARG = .FALSE.

IBRION = 2
POTIM = 0.1
EDIFFG = -0.01
NSW = 500

注意：
上一节我们提到Cu没有磁性，表述是不准确的，应该是纯净的Cu(111) slab模型中，Cu不需要考虑自旋。如果你算的是CuO(111)表面，则需要考虑自旋了。

5 提交任务

计算结束后，查看OUTCAR，OSZICAR的最后几行检查下是不是正常结束。

6 扩展练习

6.1 掌握本节提到的固定原子的三种做法：文本编辑器，p4vasp, sed， 当然啦，更可以直接使用Vim 这个强大的工具来执行
6.2 查看结构优化相关的这几个参数，复习下它们的VASP官网说明。
6.3 运行本文的例子，然后将EDIFFG设置成 -0.02或者-0.001进行测试，查看与-0.01的区别。
6.4 VASP官网查找表面能计算的案例，结合本节以及前面的学习，尝试算一下Cu(111)面的表面能。

7 总结

截止到本节为止，Slab模型的优化，你已经可以初步掌握了。请务必跟着节奏认真练习。后面我们会继续学习Slab模型的优化，现在感觉陌生没上手的也不用担心。认真总结一下，我们如何从Bulk模型，然后一步一步操作到Slab模型优化的。每一步中都有哪些该注意的细节。这些都掌握了，就可以大大提高你计算的成功率，进而节省时间和精力。