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VNL用作Quantum ESPRESSO的图形界面

在这个手册中,您将会学习到一些关于如何使用Virtual NanoLab作为建立和分析Quantum ESPRESSO计算的图形界面的基本知识。

概述

提示

这个手册假定您已经获得了Quantum ESPRESSO软件,或者至少一个可以运行的 pw.x可执行文件。如果没有您可以从 http://quantum-espresso.org/download 处免费获得。或者有时也可以从几个Linux软件包管理工具处获得,比如 这里 可以找到Ubuntu相关的下载。

还可以参考

使用VNL和Quantum ESPRESSO计算硅能带结构和态密度,这是一个介绍性的手册,介绍例如计算和分析硅能带结构和态密度等更高级的内容。

使用VNL建立结构

导出Quantum ESPRESSO输入文件

&CONTROL
  calculation='scf',
  outdir='.',
  prefix='calc',
  pseudo_dir='$PSEUDO_DIR',
  verbosity='low',
  tstress=.false.,
  tprnfor=.false.,
/
 
&SYSTEM
  ibrav=2,
  celldm(1)=10.2623466921d0,
  nat=2,
  ntyp=1,
  ecutwfc=30.0d0,
  ecutrho=120.0d0,
  input_dft='LDA',
  occupations='smearing',
  smearing='gaussian',
  degauss=0.002000d0,
/
 
&ELECTRONS
  diagonalization='david',
  conv_thr=1d-06,
  mixing_mode='plain',
  mixing_beta=0.700d0,
/
 
ATOMIC_SPECIES
  Si 28.085500d0 Si.UPF
 
ATOMIC_POSITIONS {alat}
  Si   0.0000000000d0   0.0000000000d0   0.0000000000d0
  Si   0.2500000000d0   0.2500000000d0   0.2500000000d0
 
K_POINTS {automatic}
  1 1 1 0 0 0

提示

默认的输入文件包括一些QE自洽计算所需的基本设置和命令,但是在执行计算之前您需要进行几个修改。特别是需要指定赝势文件夹,而且您可能需要调整几个参数。

还可以参考

Quantum ESPRESSO网站提供所有输入文件中可能的设置的完整解释,可以在 这里 获取。

修改输入文件

  1. 首先我们需要赝势文件。到Quantum Espresso的赝势库并下载名为Si.pbe-n-rrkjus_psl.0.1.UPF的硅赝势,或者从这里直接下载。将它保存在包含scf.in的文件夹。
  2. 用你常用的编辑器打开scf.in文件,并进行如下修改:
    • outdir option 改为 outdir=’silicon’;
    • 点击你的本地赝势:
    • pseudo_dir 选项改为 pseudo_dir=’.’;
    • 将赝势名从 Si.UPF 改为 Si.pbe-n-rrkjus_psl.0.1.UPF;
    • 将密度和势能截断值(单位是Rydbergs)从ecutrho=120.0d0增加为ecutrho=300.0d0(因为我们使用了一种超软赝势,而不是模守恒赝势)。
    • 去掉20-22行。他们是用于设置电子占据的smearing选项,在半导体中无需考虑。
    • 插入nbnd=10,以包含一些导带。
    • 将交换相关密度泛函从input_dft=’LDA’变为input_dft=’PBE’
    • 将SCF收敛阈值从conv_thr=1d-06收紧为conv_thr=1d-08
    • 通过改变最后一行从111000999000,将K点取样从1x1x1增加到9x9x9

警告:

段落中行间的逗号分离非常重要,必须保留,例如CONTROL, SYSTEM,ELECTRONS cards。这些段落中所有的行都需要以逗号结束,否则计算会出错。

您的 scf.in 输入文件应该如下面展示

&CONTROL
  calculation='scf',
  outdir='silicon',
  prefix='calc',
  pseudo_dir='.',
  verbosity='low',
  tstress=.false.,
  tprnfor=.false.,
/

&SYSTEM
  ibrav=2,
  celldm(1)=10.2623466921d0,
  nat=2,
  ntyp=1,
  ecutwfc=30.0d0,
  ecutrho=300.0d0,
  nbnd=10,
  input_dft='PBE',
/

&ELECTRONS
  diagonalization='david',
  conv_thr=1d-08,
  mixing_mode='plain',
  mixing_beta=0.700d0,
/

ATOMIC_SPECIES
  Si 28.085500d0 Si.pbe-n-rrkjus_psl.0.1.UPF

ATOMIC_POSITIONS {alat}
  Si   0.0000000000d0   0.0000000000d0   0.0000000000d0
  Si   0.2500000000d0   0.2500000000d0   0.2500000000d0

K_POINTS {automatic}
  9 9 9 0 0 0

运行基态计算

pw.x < scf.in > scf.out

结果分析

观察结构

  1. 确保选中了在LabFloor中名为scf.out的图标 ,在右侧插件栏下部点击 Viewer。通过这个按键打开Viewer,您将可以用它来查看来自QE输出文件的硅单胞。

总能成分

  1. 点击LabFloor中名为scf.out的图标,并点击插件栏中的Text Representation。会出现一个含有基态总能和它的各种成分信息的窗口。您也可以用插件面板上的Export…功能将总能报告保存为文本文件。

电荷密度投影图

1D Projector插件工具可以提供您计算体系的基态电荷密度的实空间投影图。

等值面和轮廓图

最后,让我们通过 Grid Operations 插件工具来可视化等值面和轮廓图。

  1. LabFloor中,选中data-file.xml 项目并点击插件面板中的Grid Operations
  2. ElectonDensity项目已经默认为A1. 将这个名字键入Grids 栏的输入行并按回车键。
  3. 在右手边您现在可以在IsosurfaceCutplane图中选择。使用View按键显示所显示的图片。

更多Quantum ESPRESSO计算

使用LabFloor中输出构象作为更多QE计算的起点也很方便:

  1. 将名为scf.out 的 图标拖拽到 Builder 按键上。
  2. 使用Builders 中的Wulff Constructor建立一个硅纳米颗粒。

另外Builder还可以用于硅晶体第一布里渊区的可视化:

  1. 双击Stash中的名为scf.out图标,选择Bulk Tools中的Brillouin Zone Viewer
  2. 按住鼠标右键可以旋转至更好的观察角度。倒空间中的高对称点以绿色字母标记出。

还可以参考

您现在就可以继续学习使用VNL和Quantum ESPRESSO计算硅能带结构和态密度手册,在那里您可以学习到计算和分析半导体的电子结构。