2015源资培训班课程-VASP软件理论基础.pdf

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1、VASP量子力学计算软件包目录VASP软件总体介绍VASP软件理论基础VASP软件发展史一、VASP软件总体介绍VASP基本介绍•目前材料模拟和计算物质科学研究中最流行的商用软件之一，广泛应用于固体，表面、界面和分子等各种体系的研究•原子尺度进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包•既可以在密度泛函理论框架内求解Kohn-Sham方程，也可以在Hartree-Fock的近似下求解Roothaan方程•支持格林函数方法和微扰理论•使用平面波基组，电子与离子间的相互作用使用缀加投影波贋势（PAW）描述•计算效率高，可实现大规模高效并行计算•

2、由维也纳大学开发，Materialsdesign公司代理，目前最新版本5.3VASP计算性质采用周期性边界条件(或超原胞模型)处理原子、分子、团簇、纳米线(或管)、薄膜、晶体、准晶和无定性材料，以及表面体系和固体。几何性质电子性质结构参数（键长、键角、晶格参数、原电子态密度，能带结构，电荷密度分布，子位置），稳定构型等电子局域化函数（ELF）等状态方程和力学性质表面性质体弹性模量和弹性常数等表面重构、缺陷等结构，表面能量，表面吸附能，反应机理等光学性质分子动力学模拟介电常数，吸收光谱，折射率等扩散系数和粘性系数磁学性质共线和非共线

3、性磁性、自旋轨道耦合VASP应用领域材料凝聚VASP表面态催化VASP发表文章ImagesfrompatentscitingVASPVASP文献•Science（48篇）——31.027•NatureMaterials（36篇）——35.749•J.Am.Chem.Soc.（450篇）——10.667•Angew.Chem.（115篇）——10.667•Advancedmaterials（71篇）——14.829•Nanoletters（288篇）——13.025•ACSNano（246篇）——12.062•PhysicalReviewLett

4、ers（880篇）——7.943•PhysicalReviewB（3946篇）——3.767•J.Phys.Chem.C（2170篇）——4.835•J.Phys.Chem.B（330篇）——3.337截止到2014年•Phys.Chem.Chem.Phys.（789篇）——4.198VASP并行速度VASP支持CPU、GPU并行VASP并行速度VASP的并行运算速度：GPU>CPUVASP技术论坛http://cms.mpi.univie.ac.at/vasp-forum/forum.php二、VASP软件理论基础VASP理论背景根据原子核和

5、电子互相作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法。第一性原理通常是跟计算联系在一起的，是指在进行计算的时候除了告诉程序你所使用的原子和他们的位置外，没有其他的实验的，经验的或者半经验的参量，且具有很好的移植性。因此在材料科学领域里，有着其他计算方法无法比拟的优势，其不但能够使被模拟的体系性质与特征更接近真实情况，而且与真实的实验相比，第一性原理计算能更快地设计出符合要求的实验，很多时候甚至可以模拟实验无法实现的工作。VASP理论基础密度泛函理论量子化学HartreeCI、CC、MP

6、xpost-HF-FockBO近似薛定谔方程Hohenberg-KohnThomas密度泛-Fermi函理论Kohn-Sham量子力学Schrödingerequation在量子力学中，粒子的状态用波函数描述。薛定谔方程（定态）：要准确描述一个体系，就必须通过求解薛定谔方程来得到波函数Φn薛定谔方程能够准确的求解出仅含一个电子的H原子的波函数以及H的基态能量。但是，如果要处理多电子的复杂体系时，求解薛定谔方程就显得尤为复杂！E.SchrödingerBorn-OppenheimerApproximation玻恩-奥本海默近似(BO近似)原

7、子核质量远大于电子质量，一般要大3-4个数量级，因而在同样的相互作用下，根据动量守恒，原子核运动比电子运动慢得多。因此，通常在研究某一瞬间电子结构时可以忽略原子核的速度，假定它和原子核长期固定在某位置时的电子结构一样，这就是BO近似。其核心思想是：把核的运动和电子的运动分开处理处理电子运动时，认为核是固定不动的处理核运动时，认为快速运动的电子建立一个平均化了的负电荷分布，核在电子的负电荷平均场中运动量子化学：Hartree-Fock含时薛定谔方程假设电子之间没有任何相互作用，那么，体系内多电子波函数定态薛定谔方程就可以转化为单电子波函数的

8、简单乘积。此为单电子近似。玻恩-奥本海默近似单电子哈密顿算符中的第三项可以看成体系中其他电子引入Slater行列式的库仑相互作用的一个平均场近似。量子