VASP 固定基矢优化结构

无缺 / 2018-03-19

一般对于三维材料的结构晶格参数优化有两种方法（教程参见 Learn VASP The Hard Way）：

而上述方法对于优化表面，二维或者一维体系不适用，优化此类材料时，必须固定一个或两个晶胞方向不优化。一般可通过晶格参数扫描再拟合函数实现，引侯柱峰老师对该类问题解答回帖。

如果二维参数里有一个参数（也就是a,b相等）,那通过固定 c，改 a 或 b 的值，对每一个 a 值下的结构进行 ISIF=2 的计算，得到总能，然后根据一系列的总能-晶格常数 a 的值进行一元二次函数的拟合，得到最小值的位置。如果是含两个常数（即 a,b 不等），通过地，固定 c，改变a和b地值，对每一组 a 和 b 值下的结构进行 ISIF=2 的计算，得到总能，然后根据一系列的总能-晶格常数 a 和 b 的值，进行二元二次函数的拟合得到最小值的位置。

这样的方法普适性很高，但却是繁琐。于是有了在特定条件下，重新编译 vasp 使得该优化简化的方法，即当材料为正交晶系或单斜晶系时，可通过修改 constr_cell_relax.F 编译软件实现固定基矢进行结构优化。

对于 VASP 5.4.1 之后的版本，软件的编译已经方便了很多，本文以 intel 编译器 + mkl + impi 编译 VASP 5.4.1 为例进行介绍。VASP 的安装编译无需 root 权限，普通用户在家目录即可安装。

1. 查看编译器，mkl 等安装及环境变量设置正确

export LD_LIBRARY_PATH=/share/intel/composer_xe_2015.6.233/mkl/lib/intel64/:$LD_LIBRARY_PATH
export LD_LIBRARY_PATH=/share/intel/composer_xe_2015.6.233/compiler/lib/intel64:$LD_LIBRARY_PATH
export PATH=/share/intel/composer_xe_2015.6.233/bin/intel64:$PATH
export PATH=/share/intel/impi/5.0.3.049/intel64/bin:$PATH

2. 修改 constr_cell_relax.F

以固定 c 方向为例，constr_cell_relax.F （src 目录下）修改后如下

!-----------------------------------------------------------------------
!
! At present, VASP does not allow to relax the cellshape selectively
! i.e. for instance only cell relaxation in x direction.
! To be more precisse, this behaviour can not be achived via the INCAR
! or POSCAR file.
! However, it is possible to set selected components of the stress tensor
! to zero.
! The most conveninent position to do this is the routines
! CONSTR_CELL_RELAX  (constraint cell relaxation).
! FCELL contains the forces on the basis vectors.
! These forces are used to modify the basis vectors according
! to the following equations:
!
!      A_OLD(1:3,1:3)=A(1:3,1:3) ! F90 style
!      DO J=1,3
!      DO I=1,3
!      DO K=1,3
!        A(I,J)=A(I,J) + FCELL(I,K)*A_OLD(K,J)*STEP_SIZE
!      ENDDO
!      ENDDO
!      ENDDO
! where A holds the basis vectors (in cartesian coordinates).
!
!-----------------------------------------------------------------------

      SUBROUTINE CONSTR_CELL_RELAX(FCELL)
      USE prec
      REAL(q) FCELL(3,3)
      DO I=1,3
        FCELL(3,I)=0
        FCELL(I,3)=0
      ENDDO
!     just one simple example
!     relaxation in x directions only
!      SAVE=FCELL(1,1)
!      FCELL=0   ! F90 style: set the whole array to zero
!      FCELL(1,1)=SAVE
!     relaxation in z direction only
!      SAVE=FCELL(3,3)
!      FCELL=0   ! F90 style: set the whole array to zero
!      FCELL(3,3)=SAVE

      RETURN
      END SUBROUTINE

对于其他方向晶格基矢的修改同理：对于a方向基矢，将 FCELL(3,I) 和 FCELL(I,3) 分别改为 FCELL(1,I) 和 FCELL(I,1) ；对于b方向基矢，则分别改为 FCELL(2,I) 和 FCELL(I,2) ；固定两个基矢则应该同时将两个方向对应的矩阵元设置为0。或参考 VASP并行可执行软件包，可对晶胞参数进行部分优化可实现添加参数文件实现不同基矢方向固定。（未做测试）

3. 编译

建议重新解压源码编译软件

[yourname@localhost ~]$ tar -zxvf vasp.5.4.1.05Feb16.tar.gz
[yourname@localhost ~]$ tar -zxvf vasp.5.lib_.tar_2.gz
[yourname@localhost ~]$ cd vasp.5.4.1
[yourname@localhost ~]$ cp arch/makefile.include.linux_intel makefile.include
[yourname@localhost ~]$ make std

普通用户在家目录安装编译前在 makefile.include 文件中添加 $MKLROOT，位置如下

MKLROOT    =/share/intel/composer_xe_2015.6.233/mkl
MKL_PATH   = $(MKLROOT)/lib/intel64

编译结束后，进入 bin 目录，可将 vasp_std 重命名为 vasp_fixZ ，将软件移入系统 bin 目录下或将该目录添加至环境变量。

[yourname@localhost ~]$ echo 'export PATH=/home/yourname/vasp.5.4.1/bin:$PATH' >> ~/.bashrc
[yourname@localhost ~]$ source ~/.bashrc

完成编译后，在 INCAR 文件中设置 ISIF=3，便可实现固定 Z 轴的结构优化。

参考资料