自旋轨道耦合计算探索过程

1、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:Correlation functionals : LUSE VDW = .TRUE.the PBE correlation correcti on AGGAC = 0.0000Exchange交换 functionalsvdW-DFvdW-DF2方法一方法二方法三方法四方法五revPBEoptPBEoptB88optB86brPW86GGA =GGA =

2、BOMLPARAM1=0.183333GGA = MKZab_vdWGGA = REGGA = OR3333PARAM1 = 0.1234=-1.8867LUSE_VDW= .TRLUSE_VDW= .TRPARAM2=PARAM2 = 1.0000LUSE_VDUE.UE.0.2200000000LUSE_VDW= .TRWAGGAC = 0.0000AGGAC = 0.0000LUSE_VDWUE.=.TRUE.=.TRUE.AGGAC = 0.0000AGGAC =AGGAC = 0.00000.0000一般，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。Bi2S

3、e3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 力廿入 LSORBIT=.TRUE.和口 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） 计算静态的时候输岀CHARG，能带的时候ISTART可以等于0, ICHARG 等于11。7）薄膜的结构需

4、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=340 eVKpoints=10 W X10ISMER取-5，计算能带时，取0,对应 SIGMA=0.05在 MS 中可以在 build-Symmetry -中把 Bi 2Sesrhombohedral representation （菱形

5、表示）和hexagonal representation （六角表示）相互转换图中黑色ti、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r (0 0 OZ(n n-nn n硼(0 0 0L( n 0 0)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：r (0 0 0-Z(0.5 0.5 0.5)-F(0.5 0.5 0)- r (0 0 0)L(0 0 -0.5)KPOINTS20Lin e-modeRec0.00.00.0! r! Z! Z!

6、F! F0.00.00.0! r0.00.00.0! r0.00.0 -0.5! L通过比较结构,发现Ecut=580 , KPOINTS=151515，得到的结构比较靠谱 Sb2Te3Bi 2Te3Bi2Se3晶格参数六角a (?)4.2504.3834.138六角c (?)30.3530.48728.64菱形T(?)10.4110.4739.841原子位置卩(2Bi)0.4000.4000.399v (2Se2)0.2110.2120.2060 (Sei)0003.块体soc的计算文献能带结构图：块体(Bi 2Se3-VASP-GGA-PAW-PBE )我们的结果（未考虑

7、vdW+静态和能带都加 soc计算结果与文献基本符合）Ei Sc ixik rhcntKjlieaai ncHSOfi bdiids!4.薄膜的计算薄膜：Kpoints=1O X10X1计算能带的K点和石墨烯（六角晶胞的）的 K点一样：KPOINTS20Lon e-modeRecu 厂B casern-0.666666670.333333330.0!K0.00.00.0! r0.00.00.0! r0.50.00.0!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

8、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。JJJwL入itzrK7*sJ*711AN r7 A L*用左边结构得到的结果（Bi 2Se3）:Bi2SeS 1QL soc bandsdm r A6J4匚山6 2 5 e3 20L no 啊oc. band%10勺415-用左边结构得到的结果（Bi 2Te3）: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soc1QL 在静态中也加入 soc1.2.不优化结构，scf 禾口 bands

9、力廿入 LORBMOM=.TRUE. ， LSORBIT=.TRUE.3.4.优化结构，scf 禾口 ba nds 力廿入 LORBMOM=.TRUE. ，LSORBIT=.TRUE.优化结构，scf 和 ba nds 加入 LORBMOM=.TRUE. ，GGA_COMPA T=.FALSE.文献结果:IM3上图是没有进行离子弛豫的1QL 6QL的Bi2Se3薄膜能带结构1 .00.51 口 L 1 2QL3QL4QL6QL-A.-O.7B330.5-1.0上图采用optPBE-vdW泛函进行离子弛豫1QL6QL的Bi2Se3薄膜能带结构6-o.aT.1001k沁-0.10D.1-a.1 o

10、 ai-0.1D口上-Al00.1切 fA&l)切Mc)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: VERY BAD NEWS! Internal error in subroutine IBZKPT: Reciprocal lattice and k-lattice belong todifferent class of lattices. Often results are still useful. 48In ter nal 内部 subrout ine 子程序 Reciprocal 倒数的非常严重的错误！子程序IBZKPT中

11、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：in ternal ERRORRSPHER:ru nning out of buffer001310non lr.F:Out of bufferRSPHER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-Matrix is not hermitian in DAV 4-4.681828688433112E-002Sub-Sp

12、ace-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=type ofmixi ng 混合、混频，AMIX=li near mixi ng parameter ， AMIN=mi ni mal mixi ngparameter,BMIX=

13、cutoffwave vector for Kerker mixi ng scheme, AMIX_MAG=li near mixi ng parameter formagn etizati on,BMIX_MAG=cutoffwave vector for Kerker mixi ng scheme for mag, WC=weight factor for each stepin Broyde n mixi ng scheme,INIMIX=type ofinitial for each step in Broyden mixing scheme, MIXPRE=type of preco

14、nditioning inBroyde n mixing scheme,MAXMIX=maximu mn umber steps stored in Broyde n mixer.错误 4： WARNING: Sub-Space-Matrix is not hermitian in DAV 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

15、_Fast 电子优化采用 RMM-DIIS 算法错误 5： ADVICE TO THIS USER RUNNING VASP/VAMP （HEAR YOUR MASTERSVOICE .）: You have a（more or less） small supercell and for smaller cells it is recommended to usethe reciprocal-space projection scheme! The real space optimization is notefficient for small cells and it is also le

16、ss accurate . Therefore setLREAL=.FALSE. in the INCAR file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 1QL 2QL 3QL 原子数分别为 5、10、15，LREAL=.False.对于 4QL 5QL 6QL 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: non colli near calculatio ns require that VA

17、SP is compiled withoutthe flag -DNGXhalf and -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。dont forget that you may have to re-compile vasp without any of theprecompiler (CPP) flags set: -DNGXhalf, -DNGZhalf, -DwNGXhalf, -DwNGZhalf , asn ecessary for non-colli near runs in gen

18、eral for non-colli near magn etism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 计算总是岀现这个错误VERY BAD NEWS! internal error in subroutine SGRCON:Fou ndsomenon-i ntegereleme ntinrotati onmatrix 3解决办法：首先检查POSCAR是否有问题。MS重新获取POSCA

19、R，参与计算，已解决。错误 8: WARNING: random wavefunctions but no delay for mixing, default for NELMDL 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：mpirun has exited due to process rank 21 with PID 8455 on node node14 exiting improperly. There are

20、two reasons this could occur:1. this process did not call init before exiting, but others in the job did.This can cause a job to hang indefinitely while it waits for all processes to call init. By rule, if one process calls in it, the n ALL processes must call i nit prior to term in ati on.2. this p

21、rocess called in it, but exited without calling finalize. By rule, all processes that call init MUST call finalize prior to exiting or it will be considered an abnormal terminationThis may have caused other processes in the applicati on to be term in ated by sig nals sent by mpiru n (as reported her

22、e). |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，输岀的log文件中只有前面的描述，没有后面的数据，比如：running on 32 total cores2016-05-1918:42:45 distrk: each k-poi nt on 32 cores, 1groups2016-05-19 18:42:45 distr: one band on 8 cores, 4 groups2016-05-19 18:42:45 using from now: INCAR2016-05-1918:42:45 vasp.5.3.3 18Dez12 (build May 19 2015 15:36:57)c