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Quantum ESPRESSO计算声子谱、声子态密度、热力学性质

AMS2024版开始Quantum ESPRESSO作为AMS的一个标准模块,因此AMS很多功能,也可以调用Quantum ESPRESSO完成。

模型

建模参考教程:建模。模型需要进行优化之后才能计算声子谱,而且计算声子谱的参数应该与结构优化一致,否则容易出现虚频。

结构优化,参考:Quantum ESPRESSO结构优化、晶格常数优化。本文略过优化的说明,直接演示声子谱的计算。

这里直接使用软件自带的SiO2-alpha quarts(AMSinput右上角搜索SiO2可以找到,然后❄ → Generate primitive cell得到元胞),然后设置赝势、泛函、截断能、k点数目等参数:

如果什么都不设置,也有相关的较为不错的默认参数(除了k点个数外)。实际上电子截断能,软件默认值比此处设置的更高一些,所以反而更推荐用默认值。

Properties → Phonons and Elastic tensor窗口,勾选Phonons:

点击该选项右侧 > 按钮,进入Phonons计算的的详细设置:

上面这个设置对声子的计算极为关键: 在无限大体系里一个原子的受力不仅与最临近原子有关,还有比较远程的原子有关,所以需要在超胞里计算才行。超胞取得较大,则远程原子的影响考虑的更准确。

对于较小的体系,如果没有把握的情况下,可以尝试2*2*2、3*3*3、4*4*4……几种,随着倍数的增大,会观察到声子谱的形状趋于稳定不变,再增大倍数几乎就没有影响了,我们最终需要的就是这个极限情况,例如,如果4*4*4和5*5*5的声子谱几乎不变,但是跟3*3*3差别较大,那么就可以用5*5*5的结果,而不必再计算6*6*6了。对于较大的单包,可能单倍就够了。

这里只展示一种倍数的计算,其他倍数,需要用户自行补充。

软件会自动根据空间群,生成高对称点的路径,如果用户需要自行设置路径,上图中去掉“Automatic BZ Path”勾选,自行输入坐标、名称即可(三个数字,一个名称字母,用空格隔开),每行输入一个点。

保存作业,并提交作业。

结果查看

SCM → BandStructure,即可看到声子谱(中)与声子态密度(右侧):

点击每条带上的蓝点,则弹出对应的振动模式动画窗口,点击▶按钮即可播放:

软件自动生成的高对称点

SCM → Output:搜索“Suggested path”:

Suggested path: G-Y-H-C-E-M_1-A-X-H_1|M-D-Z|Y-D

High-symmetry points (fractional coordinates)
A     :   -0.4998    -0.0001     0.4998 
C     :   -0.5000     0.5000    -0.0003 
D     :    0.0002     0.4999     0.4999 
E     :   -0.4998     0.4999     0.4997 
G     :    0.0000     0.0000     0.0000 
H     :   -0.3349     0.6670    -0.0003 
H_1   :   -0.6651     0.3330    -0.0004 
M     :   -0.3347     0.6668     0.4997 
M_1   :   -0.6648     0.3329     0.4996 
X     :   -0.5000    -0.0000    -0.0002 
Y     :    0.0000     0.5000    -0.0001 
Z     :    0.0002    -0.0001     0.5000 

声子态密度

往下翻即可看到:

              Phonon DOS


     freq(a.u.)         DOS

     0.0000E+00  0.0000E+00
     6.5749E-06  4.9196E-03
     1.3150E-05  4.9019E-03
     1.9725E-05  4.9014E-03
     2.6299E-05  4.9022E-03
     3.2874E-05  4.8829E-03
     3.9449E-05  4.8714E-03
     4.6024E-05  4.8704E-03
     5.2599E-05  4.8748E-03
     5.9174E-05  4.8890E-03
     6.5749E-05  4.8997E-03
     7.2324E-05  4.8971E-03
     7.8898E-05  4.8950E-03
     8.5473E-05  4.8999E-03
     9.2048E-05  4.9000E-03
     9.8623E-05  4.9027E-03
     1.0520E-04  4.9108E-03
     1.1177E-04  4.9271E-03
     1.1835E-04  4.9559E-03
     1.2492E-04  4.9960E-03
     1.3150E-04  5.0374E-03
     1.3807E-04  5.0903E-03
     1.4465E-04  5.1760E-03
     1.5122E-04  5.2749E-03
     1.5780E-04  5.3613E-03
     1.6437E-04  5.4602E-03
     以下省略

热力学性质

   Thermodynamic properties from phonons

Zero-point Energy (hartree)            0.03488056
Zero-point Energy (eV)                 0.94914837

=============================================================================================================================
           Temperature(K) Internal energy(Hartree)              Entropy(kB)     Free Energy(Hartree)        Specific Heat(kB)

             0.000000E+00             3.488056E-02             0.000000E+00             3.488056E-02             0.000000E+00
             1.001001E+00             3.488057E-02             2.615402E-03             3.488056E-02             5.336676E-03
             2.002002E+00             3.488060E-02             8.700511E-03             3.488054E-02             1.310852E-02
             3.003003E+00             3.488065E-02             1.548233E-02             3.488050E-02             2.086490E-02
             4.004004E+00             3.488073E-02             2.254695E-02             3.488044E-02             2.862246E-02
             5.005005E+00             3.488083E-02             2.976932E-02             3.488036E-02             3.640776E-02
             6.006006E+00             3.488096E-02             3.710076E-02             3.488025E-02             4.427383E-02
             7.007007E+00             3.488111E-02             4.452590E-02             3.488012E-02             5.230375E-02
             8.008008E+00             3.488129E-02             5.204788E-02             3.487997E-02             6.059450E-02
             9.009009E+00             3.488150E-02             5.968005E-02             3.487979E-02             6.923789E-02
             以下省略