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在本教程中您将学习如何进行一个简单的声子能带计算。尤其是学会如何设置计算,了解哪些参数是重要的。您也将学会如何通过并行方法优化这种类型的计算
第一步也是非常重要的一步就是对您的体系进行应力优化。这可以去除声子谱中的虚频,虚频通常源于未充分弛豫的结构。 1.进入 Builder并从 Database 导入silicon(alpha)结构 2.将结构发送到Script Generator中并添加一个 New Calculator.
该计算只需要花费几十秒钟。然后,您将在 LabFloor 中的项id gID001中找到优化的BulkConfiguration。选择该项,点击Text representation得到优化参数,5.4787
将优化好的BulkConfiguration拖拽到Scritper. 1、双击New Calculator并将k-point取样改为1x1x1
2、添加声子能带分析项
3、声子由体系的动力学矩阵计算。动力学矩阵是能量的二阶导数,相当于力的一阶导数。力的一阶导数是利用有限差分法计算的,体系每次沿着一个自由度进行位移,该方法也叫做冻结声子计算法。
dynamical_matrix_parameters = DynamicalMatrixParameters( atomic_displacement=0.01*Angstrom, repeats=(5,5,5), acoustic_sum_rule=True, symmetrize=True, )
4、进行一些修改
对于5×5×5的重复,您的dynamical_matrix_parameters看起来应如下所示:
保存脚本后,现在就可以运行您的DFT声子能带计算。 然而,有一些细节是在您运行计算之前要考虑的: 在ATK中,动力学矩阵的位移计算是并行化的。位移的数目是原子数目的三倍(沿着x,y,z每一个方向算一次位移)。对于每次位移,都需要沿着+和-两个方向,进而有两次计算。这意味着可以通过使用和位移数目一样的多的MPI进程以获得最优计算性能。
对于这个体系,有6个不同的位移需要分别计算。
体系尺寸 在该教程中,被运行的三个体系的重复次数为3×3×3,5×5×5,7×7×7,分别有54,250,686个硅原子组成。除了运行时间(参见下面)外,您也应该考虑内存总数的要求。一个拥有686个硅原子的块体结构,在使用LDA泛函,SZP基组运行时将需要3GB的内存。每个位移,也就是每个MPI进程,都要使用相同大小的内存。这意味着在这种情况下(6个MPI进程),如果您要在单机上运行的话您需要至少18GB的内存!
消耗时间 下表显示了使用上述参数计算声子能带所需要的总时间。并行计算是在Xeon e5472 3.0GHz 机器中使用6个MPI进程进行的。
当工作完成后您将在LabFloor中找到PhononBandStructure项。将其选上并使用Bandstructure Analyzer工具显示能带。 下图展现了被定义成3×3×3,5×5×5,7×7×7的三个体系的结果 您会立刻注意到重复次数3×3×3太小了甚至不能定性地给出可靠的结果,而中间尺寸的体系已经是一个相当好的近似。然而,您也注意到5×5×5和7×7×7两个体系在 Γ-point 附近的声子模式依然存在一个微小的差别。 动力学矩阵现在和BulkConfiguration储存在一起。这意味着您可以读取动力学矩阵并可以在几十秒钟之内进行另一个PhononBandStructure计算(例如沿着不同的布里渊路径)或者声子态密度计算。 下表中展示了声子能带和DOS,您可以把这些结果和 Ref. [1] 进行比较。
在ATK2014和更新的版本中,大量的经典势被囊括在ATK-Classical引擎中。这些势都很适合研究材料的振动性质,就像本教程中的硅的声子能带计算。
将硅块体结构发送到Scripter并如之前解释的那样,设置应力优化和硅的声子能带结构计算,二者在同一脚本中。 在普通的笔记本中计算将只花费几十秒的时间。 在New Calculator中,选择ATK-Classical引擎并使用对硅来说能够获得的最精确的势,像Tersoff或者Stillinger-Weber势。 每个提供的势都有一个文字参考,您应该检查确定该势是否适用于您的体系或者您所感兴趣的性质。 像ATK-DFT例子那样设置OptimizeGeometry模块和PhononBandstructure项,运行计算。 使用Tersoff_si_2005potential【2】所计算的硅的声子能带结构在下图中被展示。
[1] Giannozzi et al., “Ab initio calculation of phonon dispersions in semiconductors”, Phys. Rev. B 43, 7231 (1991). [2] Stillinger and T. A. Weber, “Computer simulation of local order in condensed phases of silicon”, Phys. Rev. B, 31, 5262 (1985).