Cu(111) slab模型的单点计算

首先对Cu单胞进行结构优化（bulk计算），然后使用优化的结构进行切割，再进行计算（由于晶胞已经优化过，所以本次计算其实是单点计算）。大师兄提到：

Cu(111) slab 模型（POSCAR）的制作流程（复习一下）。**注意：**前面我们用的是Conventional cell，下面用的是Primitive Cell。 一般来说用Conventional cell， FCC的金属可以用Primitive Cell 但对于其他体系，通过Primitive Cell切出来表面模型有问题

我准备两种都验证一下。

使用Conventional Cell建立slab模型

切割结构

将bulk计算完毕的CONTCAR文件用Vesta打开，再转换为.cif文件使用Materials Studio打开

  • Step1：Build-Surface-Cleave Surface

Angstrom是单位埃，需要切割的晶面是(111)，相应的平面方程为x+y+z−1=0x+y+z-1=0，使用点到直线的距离公式即可求出晶面间距离，，即厚度thickness

PS：之前111晶面是啥都给整忘了，算个点到直线的距离也能算错，真该抽自己两巴掌回去恶补高等数学😭

以下是来自维基百科的关于米勒指数以及111晶面的介绍，很形象了

米勒指数以及111晶面

GeoGebra计算器

平面ABC为：x+y+z−1=0x+y+z-1=0，点D为(1,1,0)

算一下厚度：

d=∣Ax0+By0+Cz0∣A2+B2+C2=13a≈13×3.63468≈2.0984d=\dfrac{|Ax_0+By_0+Cz_0|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}=\dfrac{1}{\sqrt{3}}a\approx \dfrac{1}{\sqrt{3}}\times 3.63468 \approx 2.0984

Cleave Surface in Materials Studio

在切割晶面时，thickness设置为4.0 (4.0=1.0×44.0 = 1.0 \times 4)，即四倍的晶胞参数、四层原子，按一下TAB，软件软件会自动计算四层原子的真是厚度（单位：Angstrom埃），大约是8.394≈4×2.09848.394 \approx 4\times 2.0984，这与我们手动计算的晶面间距离2.0984的四倍相符

  • Step2：添加真空层，Build-Crystal-Build vacuum slab-Vacuum orientation：C

添加真空层

  • Step3：右键-lattice parameters

设置Z轴方向为真空层

导出为.cif，vesta打开转换为POSCAR,

INCAR如下

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System = Cu-conventional-slab
ISMEAR = 1
SIGMA = 0.1
ALGO = Fast
ENCUT = 450 # the system is too huge to adopt huge ENCUT
EDIFF = 1E-5
LDIPOL = .TRUE.
IDIPOL = 3
NWRITE = 0
LWAVE = .FALSE.
LCHARG = .FALSE.
NCORE = 20

Slab模型虽然是代表表面，但是实际上在z方向是固体-真空-固体-真空-…的交替。如果我们建立的Slab模型在z方向是非对称的，模型就会产生一个沿z方向的偶极。偶极会产生静电势，静电势接着会影响模型的镜像（周期性边界条件）。最后算出来的模型的总能量和力与真实情况是不相符的。因此我们需要方法去矫正这种虚假的静电影响。

一种常用的方法就是偶极矫正，在真空部分加入一个超窄的但是方向相反的偶极。这样一来，固体模型产生的偶极和真空中的偶极就会相互抵消。模型和其镜像之间的静电势影响就会抵消

微调KPOINTS

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K-POINTS
 0
Gamma
  13 13 1
  0 0 0

计算结果

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[ctan@baifq-hpc141 Cu-conventional-slab]$ grep '  without' OUTCAR
  energy  without entropy=      -55.91176854  energy(sigma->0) =      -55.91397643

PS：最近学迷糊了，关于收敛脑海中有一个极其不正且的理解

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[ctan@baifq-hpc141 bulk-calc]$ grep accuracy OUTCAR
 reached required accuracy - stopping structural energy minimisation
[ctan@baifq-hpc141 bulk-calc]$ cat OSZICAR
       N       E                     dE             d eps       ncg     rms          rms(c)
DAV:   1     0.103476848532E+03    0.10348E+03   -0.27847E+04  6720   0.246E+03
DAV:   2    -0.180387697818E+02   -0.12152E+03   -0.12091E+03  7280   0.155E+02
DAV:   3    -0.185227503579E+02   -0.48398E+00   -0.48396E+00 10160   0.132E+01
DAV:   4    -0.185240376489E+02   -0.12873E-02   -0.12873E-02  8200   0.464E-01
DAV:   5    -0.185240414620E+02   -0.38131E-05   -0.38134E-05 10480   0.143E-02    0.154E+01
DAV:   6    -0.164394189736E+02    0.20846E+01   -0.72731E+01  6800   0.881E+01    0.783E+00
DAV:   7    -0.149577606472E+02    0.14817E+01   -0.11165E+01  6720   0.344E+01    0.111E+00
DAV:   8    -0.149148685722E+02    0.42892E-01   -0.18431E-02  7280   0.139E+00    0.620E-01
DAV:   9    -0.149081819010E+02    0.66867E-02   -0.51836E-02  8440   0.220E+00    0.636E-02
DAV:  10    -0.149081753161E+02    0.65849E-05   -0.22202E-04  9000   0.149E-01    0.115E-02
DAV:  11    -0.149081715196E+02    0.37964E-05   -0.16862E-06  8520   0.968E-03    0.844E-04
DAV:  12    -0.149081716052E+02   -0.85577E-07   -0.88627E-08  4640   0.248E-03
   1 F= -.14908172E+02 E0= -.14905377E+02  d E =-.149082E+02
       N       E                     dE             d eps       ncg     rms          rms(c)
DAV:   1    -0.149363274123E+02   -0.28156E-01   -0.51946E-01  6720   0.830E+00    0.131E+00
DAV:   2    -0.149199449776E+02    0.16382E-01   -0.41291E-01  6720   0.646E+00    0.538E-01
DAV:   3    -0.149119014518E+02    0.80435E-02   -0.68998E-02  6720   0.271E+00    0.192E-01
DAV:   4    -0.149112107699E+02    0.69068E-03   -0.11896E-03  9800   0.216E-01    0.117E-02
DAV:   5    -0.149112123403E+02   -0.15704E-05   -0.80430E-06  7320   0.267E-02    0.594E-03
DAV:   6    -0.149112142891E+02   -0.19488E-05   -0.13229E-06  4760   0.997E-03    0.128E-04
DAV:   7    -0.149112142406E+02    0.48522E-07   -0.22610E-08  3560   0.101E-03
   2 F= -.14911214E+02 E0= -.14908447E+02  d E =-.304264E-02
       N       E                     dE             d eps       ncg     rms          rms(c)
DAV:   1    -0.150389301673E+02   -0.12772E+00   -0.26022E+00  6720   0.187E+01    0.290E+00
DAV:   2    -0.149566578541E+02    0.82272E-01   -0.20265E+00  6720   0.143E+01    0.119E+00
DAV:   3    -0.149175257623E+02    0.39132E-01   -0.34317E-01  6720   0.604E+00    0.437E-01
DAV:   4    -0.149140056079E+02    0.35202E-02   -0.72028E-03 10080   0.565E-01    0.378E-02
DAV:   5    -0.149139977907E+02    0.78172E-05   -0.11528E-04  7840   0.108E-01    0.134E-02
DAV:   6    -0.149140005388E+02   -0.27480E-05   -0.66656E-06  7680   0.220E-02    0.371E-04
DAV:   7    -0.149140005655E+02   -0.26792E-07   -0.64306E-08  3960   0.196E-03
   3 F= -.14914001E+02 E0= -.14911298E+02  d E =-.582896E-02

这是上一节里的关于bulk计算（结构优化）的部分内容，可以看到， reached required accuracy - stopping structural energy minimisation——离子步已经收敛，在之后的OSZICAR里，电子步迭代最多7步，并未超过设置的最大电子步数目。因此对于bulk计算，电子步和离子步都收敛

而对于slab模型的单点计算，我也傻傻的这么做😢

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[ctan@baifq-hpc141 conventional-slab-static]$ grep accuracy OUTCAR
[ctan@baifq-hpc141 conventional-slab-static]$ cat OSZICAR
       N       E                     dE             d eps       ncg     rms          rms(c)
DAV:   1     0.178654188479E+04    0.17865E+04   -0.88940E+04 10388   0.264E+03
DAV:   2     0.200572973408E+03   -0.15860E+04   -0.15355E+04 10388   0.519E+02
DAV:   3    -0.535557174826E+02   -0.25413E+03   -0.23428E+03 10438   0.249E+02
DAV:   4    -0.683234131101E+02   -0.14768E+02   -0.14274E+02 11572   0.815E+01
DAV:   5    -0.687193157556E+02   -0.39590E+00   -0.39405E+00 12400   0.117E+01    0.292E+01
RMM:   6    -0.611494529970E+02    0.75699E+01   -0.15131E+02 11054   0.104E+02    0.161E+01
RMM:   7    -0.558685188476E+02    0.52809E+01   -0.32335E+01 10772   0.530E+01    0.226E+00
RMM:   8    -0.559296519539E+02   -0.61133E-01   -0.22789E+00 11552   0.614E+00    0.111E+00
RMM:   9    -0.559488617332E+02   -0.19210E-01   -0.37622E-01 11539   0.361E+00    0.509E-01
RMM:  10    -0.559454147061E+02    0.34470E-02   -0.13294E-01 12844   0.193E+00    0.214E-01
RMM:  11    -0.559437301097E+02    0.16846E-02   -0.22655E-02 12875   0.691E-01    0.208E-01
RMM:  12    -0.559413428432E+02    0.23873E-02   -0.55145E-03 11960   0.354E-01    0.586E-02
RMM:  13    -0.559414638149E+02   -0.12097E-03   -0.17465E-03 13023   0.187E-01    0.323E-02
RMM:  14    -0.559411451635E+02    0.31865E-03   -0.83089E-04 11756   0.134E-01    0.373E-02
RMM:  15    -0.559412390394E+02   -0.93876E-04   -0.47990E-04 11372   0.168E-01    0.284E-02
RMM:  16    -0.559414153722E+02   -0.17633E-03   -0.21175E-04 11475   0.107E-01    0.129E-02
RMM:  17    -0.559414836424E+02   -0.68270E-04   -0.10022E-04 11751   0.526E-02    0.889E-03
RMM:  18    -0.559415856898E+02   -0.10205E-03   -0.51724E-05 11898   0.366E-02    0.682E-03
RMM:  19    -0.559416259149E+02   -0.40225E-04   -0.26297E-05 11504   0.350E-02    0.861E-03
RMM:  20    -0.559416406670E+02   -0.14752E-04   -0.10748E-05 11263   0.208E-02    0.367E-03
RMM:  21    -0.559416498741E+02   -0.92071E-05   -0.47420E-06  8911   0.102E-02    0.119E-03
RMM:  22    -0.559416543655E+02   -0.44914E-05   -0.22030E-06  7155   0.977E-03    0.193E-03
RMM:  23    -0.559416573370E+02   -0.29715E-05   -0.14726E-06  6702   0.894E-03    0.135E-03
RMM:  24    -0.559416575122E+02   -0.17515E-06   -0.44209E-07  6318   0.507E-03
   1 F= -.55941658E+02 E0= -.55944345E+02  d E =0.806296E-02

不管怎么修改ALGO、ENCUT等参数，grep accuracy OUTCAR始终不返回 reached required accuracy - stopping structural energy minimisation，后来我才意识到，这是单点计算，NSW = 0，并不会进行离子步迭代呀，所以我们只需关注电子步收敛即可，很明显电子步收敛，OUTCAR里的信息也可说明

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[ctan@baifq-hpc141 conventional-slab-static]$ grep abort OUTCAR
------------------------ aborting loop because EDIFF is reached ----------------------------------------

This is definitely a stupid, stupid and stupid mistake😭

就写到这，吃饭去了，待会还要回实验室

使用Primitive Cell

使用bulk计算且收敛的CONTCAR进行slab模型的建立，操作还是类似的

值得注意的是，需要先find symmetry，然后才能转换为primitive cell

降低对称性之前

find symmetry

然后impose symmetry，接着再转换为primitive cell，然后建立slab模型

POSCAR会有些不同

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CONTCAR\(1\1\1)
1.0
        2.5701000690         0.0000000000         0.0000000000
       -1.2850500345         2.2257719501         0.0000000000
        0.0000000000         0.0000000000        21.2954006195
   Cu
    4
Direct
     0.000000000         0.000000000         0.000000000
     0.666670000         0.333330000         0.098540000
     0.333330000         0.666670000         0.197080000
     0.000000000         0.000000000         0.295620000

计算后的能量也有所不同：

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(base) storm@DESKTOP-HE4FQ8Q:~/my-learn/ex42/Cu-primitive-slab$ grep '  without' OUTCAR
  energy  without entropy=      -13.97087892  energy(sigma->0) =      -13.97120814

值得一提的是，在白老师的计算集群上运行时报错了(vasp.6.4.2)

如果截断能ENCUT过小可能报错Error EDDDAV: Call to ZHEGV failed. Returncode = 7 1 8

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[ctan@baifq-hpc141 Cu-primmitive-slab]$ ls
INCAR  KPOINTS  POSCAR  POTCAR
[ctan@baifq-hpc141 Cu-primmitive-slab]$ clear
[ctan@baifq-hpc141 Cu-primmitive-slab]$ sbatch vasp
Submitted batch job 4321
[ctan@baifq-hpc141 Cu-primmitive-slab]$ tail -f OUTCAR
--------------------------------------- Ionic step        1  -------------------------------------------




--------------------------------------- Iteration      1(   1)  ---------------------------------------


    POTLOK:  cpu time      0.0215: real time      0.0258
    SETDIJ:  cpu time      0.0109: real time      0.0118
     EDDAV:  cpu time      0.7451: real time      0.7613
       DOS:  cpu time      0.0052: real time      0.0060
    --------------------------------------------
      LOOP:  cpu time      0.7826: real time      0.8050

 eigenvalue-minimisations  :  2548
 total energy-change (2. order) : 0.3445715E+03  (-0.1837296E+04)
 number of electron      44.0000000 magnetization
 augmentation part       44.0000000 magnetization

 DIPCOR: dipole corrections for dipol
 direction  3 min pos   155,
 dipolmoment           0.000000      0.000000      0.000026 electrons x Angstroem
 Tr[quadrupol]       -31.061780

 energy correction for charged system         0.000000 eV
 dipol+quadrupol energy correction           -0.000000 eV
 added-field ion interaction          0.001451 eV  (added to PSCEN)


 Free energy of the ion-electron system (eV)
  ---------------------------------------------------
  alpha Z        PSCENC =        96.14159556
  Ewald energy   TEWEN  =     16384.30326894
  -Hartree energ DENC   =    -21746.47963692
  -exchange      EXHF   =         0.00000000
  -V(xc)+E(xc)   XCENC  =       182.01436818
  PAW double counting   =      4912.82663951    -5336.19386850
  entropy T*S    EENTRO =         0.00034874
  eigenvalues    EBANDS =       288.07434016
  atomic energy  EATOM  =      5563.88447798
  Solvation  Ediel_sol  =         0.00000000
  ---------------------------------------------------
  free energy    TOTEN  =       344.57153365 eV

  energy without entropy =      344.57118491  energy(sigma->0) =      344.57141740


--------------------------------------------------------------------------------------------------------




--------------------------------------- Iteration      1(   2)  ---------------------------------------


 -----------------------------------------------------------------------------
|                                                                             |
|     EEEEEEE  RRRRRR   RRRRRR   OOOOOOO  RRRRRR      ###     ###     ###     |
|     E        R     R  R     R  O     O  R     R     ###     ###     ###     |
|     E        R     R  R     R  O     O  R     R     ###     ###     ###     |
|     EEEEE    RRRRRR   RRRRRR   O     O  RRRRRR       #       #       #      |
|     E        R   R    R   R    O     O  R   R                               |
|     E        R    R   R    R   O     O  R    R      ###     ###     ###     |
|     EEEEEEE  R     R  R     R  OOOOOOO  R     R     ###     ###     ###     |
|                                                                             |
|     Error EDDDAV: Call to ZHEGV failed. Returncode = 7 1 8                  |
|                                                                             |
|       ---->  I REFUSE TO CONTINUE WITH THIS SICK JOB ... BYE!!! <----       |
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小结

  • 此计算是在bulk计算的基础上(最优结构)进行的单点计算，计算时不能进行离子弛豫，不能进行离子步迭代，默认NSW=0
  • 不进行离子弛豫，那么自然不能设置离子步收敛条件，不能设置EDIFFG
  • 如果不报错运行但结果不收敛可试着增大电子步数NSW以及截断能ENCUT
从零开始的科研之旅 > VASP
#化学 #科研
Cu(111) slab模型的单点计算
https://hydrogen1222.xyz/2025/04/23/科研/VASP/Starry Sky/Cu(111)的单点计算/
作者
Storm Talia
发布于
2025年4月23日
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