Quantum ESPRESSO计算铁磁、反铁磁体系的能带、pDOS

AMS软件不仅提供基于STO基组LCAO方法的周期性DFT计算模块BAND，也集成了开源软件Quantum ESPRESSO，为它提供无缝衔接的输入设置与输出结果分析、显示。

本教程主要展示：

• 使用Quantum ESPRESSO设置Unrestricted计算（磁性体系）
• 为原子分配不同的初始旋转
• 计算能带结构和DOS
• 使用AMSview、KFbrowser和AMSoutput观察自旋结果
• 使用AMSbandstructure查看带结构和pDOS

打开AMSinput，联网状态下初次切换到Quantum Espresso模块，会提示下载该模块，点击Yes自动下载安装。

本例以铁单晶为例。

需要对一部分Fe原子设置为自旋向上，其他原子设置为自旋向下，这可以使用Regions来协助分类完成。按住Shift选择四个不相邻的铁原子，创建新的Region，另外四个原子创建为另外一个region。创建region如果不熟悉，参考教程：如何创建分区。

由于铁是金属，因此不得不使用Smearing处理导带电子，可以设置Smearing宽度为0.01Ry（单位可以点击、自行更换为eV等）。

这里为了加快计算速度，K空间布点仅仅为5x5x5（对于实际应用，您需要测试多大的布点能达到能量收敛，一般晶格常数越小，需要的k点越多）。在本教程中，我们还将计算体系的pDOS和能带结构。

参数设置如下：

泛函和赝势，用户实际应用时，应根据需要自旋选择合适的泛函、赝势。并勾选Use regions for types，否则设置不同Fe原子的初始自旋时，无法区分开2种铁原子。

Model → Magnetization，分别为两个region的原子设置总的初始自旋：

注意这是初始自旋，最终SCF可能会收敛到其他电子态上。

保存并运行作业，待后面查看结果，下面先展示铁磁性计算的设置。

如果出现“S matrix not positive definite”的报错，修改设置：Details → SCF → Diagonalization → Conjugate gradient。

前面的作业完全相同的设置，只是修改一下初始自旋：

另存一个作业，并运行作业即可。

如果出现“S matrix not positive definite”的报错，修改设置：Details → SCF → Diagonalization → Conjugate gradient。

计算结束，首先第一件事就应该是检查自旋收敛的结果，是不是如同预期：

在AMSJobs窗口，选中这两个作业，SCM → KF Browser → Charges and Spins → Atomic Spin：

正如上所见，铁磁计算结果是所有铁原子都有相同的自旋，因此产生了显著>0的总自旋。对于反铁磁计算，铁原子具有交替的自旋，并且总自旋几乎为零。

KFBrowser还可以查看许多其他属性，例如能量等。

SCM → Output，打开输出文件，窗口底部可以搜索Lowdin，找到Lowdin电荷，将自旋分解为不同的分量，这些结果是在激活pDOS计算功能时生成的（默认为激活状态）：

例如坐标序号1的原子，总电荷15.9901 e = spin α的9.1182 e + spin β的6.8719 e = s的2.2778 e+ p的7.0113 e+ d的6.7010 e

并列出了各自在α、β中的分量。例如s的2.2778，其中分布在spin α有1.1267 e，β有1.1510e。

SCM → Band Structure。对于铁磁的结果： 可以很容易地看到能带结构中α和β电子分开的能带曲线（分别用实线和虚线表示）。Partial DOS显示α和β自旋各个原子轨道（s，p，d）的分量情况。

对于反铁磁的计算结果，可以看到α、β重合到一起了：

查看某个具体原子的Partial DOS：

例如反铁磁的能带结果窗口中，左侧窗口底部的Brillouin zone/Atom按钮，切换到Atom这一边，选中关心的原子，去掉周期显示可能更方便清晰（View → Periodic → Periodic View去掉勾选），然后显示原子的编号，View → Atom Info → Name → Show。选中Fe(1)原子，右键点击该原子选择DOS → Total (s+p+d+f)。类似可以查看Fe(5)。

如果仔细观察，可以在DOS部分看到原子Fe(1)和Fe(5)的自旋α和β是相反的。

小贴士：

• 原子、能带、DOS三个窗口宽窄可以拖动边界调整
• 鼠标放在x、y轴上，通过鼠标滚轮可以对x、y放大、缩小

AMSView主要用来查看一些函数的空间分布。例如自旋的空间分布情况：SCM → View → Properties → Atom Info → Atomic: Spin (quantum espresso) → Show，每个原子的自旋符号会被显示出来。也可以通过颜色来区分不同的自旋的大小、方向SCM → View → Properties → Color Atoms By → Atomic: Spin (quantum espresso):

自旋密度分布：

Add → Isosurface: With Phase → 窗口底部Select Field… → Density → Spin Polarization：

您可以将这些反铁磁计算的结果与铁磁计算结果的类似图像进行比较。

在AMSview中，还可以可视化其他函数，如价电子密度和形变密度，可以自行尝试即可。例如Add → Isosurface:multi，勾选底部Clip plane，并通过Opacity设置函数为半透明（0~100，0为完全透明不可见，100为完全不透明），可以显示类似如下所示的形变密度图：

其他问题欢迎邮件咨询：ams@fermitech.com.cn。