计算机在材料科学中的应用

材料与化工学院

2012级材料科学与工程一班

课程作业：计算机在材料科学中的应用学生姓名：张硕

学生学号：20120413310040

授课老师：陈大明

摘要

VASP是维也纳大学Hafner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包。它是目前材料模拟和计算物质科学研究中最流行的商用软件之一。（1）它在材料学中有广泛的运用，具有很高的使用价值。Vasp仍在不停开发中，有更多更有用的功能将会被人们开发，这会使人们对材料的研究更加透彻。

关键词

Vasp 电子结构计算和量子力学-分子动力学材料模拟物质科学

一．简介

VASP是维也纳大学Hafner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包。它是目前材料模拟和计算物质科学研究中最流行的商用软件之一。Vasp是基于castep（Cambridge Sequential Total Energy Package 的缩写是一个基于密度泛函方法的从头算量子力学程序）1989版开发的。

VASP通过近似求解Schrödinger方程得到体系的电子态和能量，既可以在密度泛函理论（DFT）框架内求解Kohn-Sham方程(已实现了混合（hybrid）泛函计算)，也可以在Hartree-Fock（HF）的近似下求解Roothaan方程。此外，VASP也支持格林函数方法（GW准粒子近似，ACFDT-RPA）和微扰理论（二阶Møller-Plesset）。

VASP使用平面波基组，电子与离子间的相互作用使用模守恒赝势（NCPP）、超软赝势（USPP）或投影扩充波（PAW）方法描述。

VASP使用高效的矩阵对角化技术求解电子基态。在迭代求解过程中采用了Broyden和Pulay密度混合方案加速自洽循环的收敛。VASP可以自动确定任意构型的对称性。利用对称性可方便地设定Monkhorst-Pack特殊点，可用于高效地计算体材料和对称团簇。Brillouin区的积分使用模糊方法或Blöchl改进的四面体布点-积分方法，实现更快的k 点收敛。（2）

vasp中的方法基于有限温度下的局域密度近似（用自由能作为变量）以及对每一MD 步骤用有效矩阵对角方案和有效混合求解瞬时电子基态。这些技术可以避免原始的方法存在的一切问题，而后者是基于电子、离子运动方程同时积分的方法。离子和电子的相互作用超缓Vinderbilt赝势(US-PP)或投影扩充波(PAW)方法描述。两种技术都可以相当程度地减少过渡金属或第一行元素的每个原子所必需的平面波数量。力与张量可以用很容易地计算，用于把原子衰减到其瞬时基态中。

二．功能

1. 采用周期性边界条件或超原胞模型处理原子、分子、团簇、纳米线

2. 计算膜管、薄膜、晶体、准晶和无定性材料，以及表面体系和固体

3.计算材料的结构参数键长，键角，晶格常数，原子位置等和构型

4.计算材料的状态方程和力学性质体弹性模量和弹性常数）

5.计算材料的电子结构能级、电荷密度分布、能带、电子态密度和

6.计算材料的光学性质

7.计算材料的磁学性质

8.计算材料的晶格动力学性质声子谱等）

9.表面体系的模拟重构、表面态和模拟）

10.从头分子动力学模拟

11.计算材料的激发态准粒子修正）

三．优点

1.VASP使用PAW方法或超软赝势，因此基组尺寸非常小，描述体材料一般需要每原子不超过100个平面波，大多数情况下甚至每原子50个平面波就能得到可靠结果。

2.在平面波程序中，某些部分代码的执行是三次标度。在VASP中，三次标度部分的前因子足可忽略，导致关于体系尺寸的高效标度。因此可以在实空间求解势的非局域贡献，并使正交化的次数最少。当体系具有大约2000个电子能带时，三次标度部分与其它部分可比，因此VASP可用于直到4000个价电子的体系。

3.VASP使用传统的自洽场循环计算电子基态。这一方案与数值方法组合会实现有效、稳定、快速的Kohn-Sham方程自洽求解方案。程序使用的迭代矩阵对角化方案（RMM-DISS 和分块Davidson可能是目前最快的方案。

4.VASP包含全功能的对称性代码，可以自动确定任意构型的对称性。

5.对称性代码还用于设定Monkhcrst-Pack特殊点，可以有效计算体材料和对称的团簇。Brillouin区的积分使用模糊方法或四面体方法。四面体方法可以用校正去掉线性四面体方法的二次误差，实现更快的点收敛速度。VASP广泛使用于材料模拟研究领域，它的代码使用FORTRAN编写，具有良好的可读性，同时很方便地进行代码的修改以及与其他代码相结合使用。它的主要特点在于基组小适于第一行元素和过渡金属，对于大体系（<4000价电子）计算快，支持断点续算功能，但不能计算体系的动力学过程。

四．应用范围

某应用计算集群系统的优化集群计算技术是计算模拟的重要手段。集群是价格低廉而且方便的高性能计算方法，通过本地网络连接多台计算机来共同完成工作。集群中的计算机处于平等地位，通过相互协作完成计算。集群以较低的成本获得计算能力大幅度的提升，是高性能计算趋于平民化。集群采用并行与分布式计算技术。并行计算（，或称并行处理，平行计算）一般是指许多指令得以同时进行计算的计算模式。分布式计算（是一种把需要进行大量计算的工程数据分成小块，由多台计算机分别计算，上传运行结果后，将结果统一合并得

出数据结论的计算方式。(3)

本文所研究的应用计算集群在基础科学研究、工业工程、公益事业、国防安全等各个领域的广泛应用，解决了一些重大、关键、挑战性的重要科学和工程问题，对支撑科技创新、推动经济发展起到了重要作用。

基础科学研宄是VASP应用计算最主要的应用领域。过去的几十年里研宄人员在化学、材料科学、生命科学、固体物理、生物物理、生物化学、药物研宄等微观领域的研究中，基于量子力学方法发展了大量而可靠的非相对论薛定愕方程和相对论迪拉克方程的近似解法，用来模拟微观世界中原子和分子的相互作用和行为。例如，使用并行程序进行密度泛函理论（计算已经成为材料科学、固体物理、计算化学、计算生物学等领域内必不可少的研究手段之一；并行实现的高精度耦合簇理论（和组态相互作用（方法被许多量子化学计算程序采用，成为计算化学的主要工具；基于牛顿力学并结合了量子力学的分子动力学计算的并行实现，是生命科学、生物物理、生物化学、药物研究等领域的主要模拟手段。随着更强大、更高计算能力的应用计算集群的出现，人们可以模拟越来越大规模的微观系统、越来越长时间的微观过程、越来越精细的微观现象，从而极大的增强了对自然的认知能力。

VASP应用一般采用周期性边界条件来处理原子、分子、团簇、纳米线，薄膜、晶体、准镜和定性材料，以及表面体系和固体，可以计算材料的结构参数和构型、状态方程和力学性质、电子结构、光学、磁学和晶格动力学性质等等。

VASP应用计算集群主要应用于六大业务领域，

1.地质勘探：地质资料处理

2.物理化学：物质的物理化学属性的科研工作；

3.生命科学：基因科学，蛋白质科学的研宄以及新药的研发

4.材料科学：计算机辅助工程，广泛应用于材料科学研宄中；

5.气象环境海洋：气象环境海洋的数值预报

6.石油勘探：油气勘探研宄

作为材料科学与工程专业的一名本科生，我们更应该了解熟悉VASP的应用方法，以方便我们以后的学习工作生活中的研究与应用。