精品自旋轨道耦合计算探索过程分析.docx
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精品自旋轨道耦合计算探索过程分析
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内是强的共价结合作用，QL之间是范德瓦尔斯作用力。
所以，在优化结构的时候，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的方法，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，对于一种没有算过的新材料，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，经测试最合适的是optPBE-vdW方法。
3）测试发现，对于1QL和块体，范德瓦尔斯作用的影响不是很影响；对于多个QL厚度的薄膜，QL之间范德瓦尔斯作用的影响比较明显。
4）文献上，很多人直接不优化结构，用实验上的参数，这样算，得到的结果也比较合理。
5）算soc加入LSORBIT=.TRUE.和LORBMOM=.TRUE.，
比LSORBIT=.TRUE.和GGA_COMPAT=.FALSE.得到的结果更合理。
6）薄膜优化的时候，可以用ISIF=2。
7）计算静态的时候输出CHARG，能带的时候ISTART可以等于0，ICHARG等于11。
7）薄膜的结构需要中心对称，切得时候需要注意。
8）计算vdW，需要vasp5.2.12以上的版本，并且将vdw_kernel.bindat文件放到计算的文件夹中。
9）vdW相互作用对结构的影响比较大，对后面的静态计算和能带计算电子态的影响比较小。
10）取合适的K点，可以得到较为合理的结构，对后面电子态的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
计算能带的布里渊区高对称点：
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的转换关系，得到正空间中高对称点的坐标：
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，得到的结构比较靠谱]
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的计算
文献能带结构图：
块体（Bi2Se3-VASP-GGA-PAW-PBE）
我们的结果（未考虑vdW+静态和能带都加soc计算结果与文献基本符合）：
4.薄膜的计算
薄膜：
Kpoints=10×10×1
计算能带的K点和石墨烯（六角晶胞的）的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
考虑薄膜的对称性
由MS六角结构，沿（001）方向切割，可以得到两种以Se原子作为表面原子的薄膜，如下图，分别为1QL和3QL的两种切法，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的区别，我们通过比较，发现，只有右图的结果，才可以得到合理的结果，尤其是在多个QL的情况。
用左边结构得到的结果（Bi2Se3）：
用左边结构得到的结果（Bi2Te3）：
用右边结构得到的结果（Bi2Se3）：
1QL—根据块体的数据得到薄膜，分以下两种情况计算：
1.不优化结构，scf不加soc，bands加soc
2.用块体的参数，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的1QL~6QL的Bi2Se3薄膜能带结构
上图采用optPBE-vdW泛函进行离子弛豫1QL~6QL的Bi2Se3薄膜能带结构
上图是实验观测的1QL~6QL（12356）的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倒数的
非常严重的错误！
子程序IBZKPT中内部错误：
倒格子和k点网格属于不同类型的格子。
通常结果还是有用的。
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的数量，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 -4.681828688433112E-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）中的子空间矩阵不是厄米共轭的。
解决方案：
只需调整 AMIX,BMIX的值，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的情况，才手动设置AMIX和BMIX等参数值。
经对Mixing方法的调试，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：
对于较小的晶胞（原子数小于20），设置LREAL=.FALSE.，计算结果比较精确。
而对于较大的晶胞，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的错误：
ERROR:
noncollinearcalculationsrequirethatVASPiscompiledwithouttheflag-DNGXhalfand-DNGZhalf
错误：
非线性计算需要编译过的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
不要忘记如果你用的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的.
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，参与计算，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或者其它的数,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的，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版本的问题，考虑vdW作用，有的版本的vasp算不了，一般5.2.12以上的版本可以，换一个版本就可以计算。
错误10：
计算总是卡住，输出的log文件中只有前面的描述，没有后面的数据，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，算不动导致的，通过减少精度，就可以解决。
比如，减少K点数量（主要的影响因素）。
错误11：
VERYBADNEWS!
internalerrorinsubroutineSGRCON:
Foundsomenon-integerelementinrotationmatrix 2 解决问题：
一般是结构的问题。
重新得到POSCAR，可以解决。
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