VASP高级应用速查手册：磁性和非线性光学性质模拟攻略


参考资源链接：[vasp中文使用指南：清华大学苏长荣老师编撰](https://wenku.csdn.net/doc/1xa94iset7?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. VASP软件简介与基础操作

## 简介
**VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）**是一款广泛应用于材料科学、凝聚态物理、化学物理等领域的第一原理计算软件。它采用密度泛函理论（DFT）进行电子结构的计算，能够模拟固体、表面以及分子体系的物理和化学性质。VASP具备高度的模块化和优化的算法，为用户提供强大的计算能力，尤其在处理周期性边界条件下的原子系统时显示出其优越性。

## 基础操作
### 安装与配置
安装VASP软件需要具备一定的Linux操作经验。首先下载VASP源代码包，然后根据您的系统环境配置相应的编译选项。安装过程中，可能需要预先安装一些依赖的科学计算库，如BLAS、LAPACK或Intel MKL。

### 基本输入文件
VASP使用一系列特定格式的输入文件来控制计算过程：
- **POSCAR**：描述晶胞中原子的类型、位置和晶胞的参数。
- **INCAR**：设置计算参数，如交换相关泛函、能量收敛标准、k点网格等。
- **POTCAR**：为不同元素提供赝势文件。
- **KPOINTS**：定义k点网格。

例如，若要设置一个简单的密度泛函理论（DFT）计算，你需要准备这些输入文件并在命令行中运行VASP。以下是一个基本的VASP运行命令示例：

vasp_std

其中`vasp_std`是VASP的可执行文件名。通常，你还需要一个名为`job.sh`的脚本来提交计算任务到集群或者管理任务队列。

### 结果分析
计算结束后，VASP会产生多个输出文件，包括但不限于：
- **OUTCAR**：包含详细的计算信息，适合解读计算过程和结果。
- **CONTCAR**：更新后的晶胞结构，通常用于下一次计算的输入。
- **vasprun.xml**：包含总能量和其他关键信息。

VASP的输出文件非常丰富，可能需要使用专门的数据处理工具如VESTA或者Jmol来进行可视化和分析。通过这些工具可以得到原子结构、电子密度、波函数和能带结构等信息，这对于材料的分析和理解至关重要。

# 2. VASP磁性模拟基础理论

### 2.1 磁性物理基础
#### 2.1.1 磁性材料分类
磁性材料根据其磁特性的不同，可以被划分为不同的类别。主要的分类方法有按照其来源、磁化特性以及磁结构进行划分。

在根据磁化特性的分类中，磁性材料通常分为三种：顺磁性、反磁性和铁磁性材料。在顺磁性材料中，磁矩是随机排列的，但在外部磁场作用下会出现一定的宏观磁化效应。反磁性材料的磁矩是成对的，它们相互抵消，因此在没有外场的情况下不显示宏观磁化。铁磁性材料的磁矩在无外场作用时会自发排列，导致明显的宏观磁化。

为了进一步理解磁性材料的性质，以下表格列出了常见的磁性材料类型及其特征：

| 材料类型 | 磁性特性 | 典型示例 |
| :-------- | :-------- | :--------- |
| 顺磁性材料 | 自发磁化弱，磁矩随机排列，在外部磁场下排列整齐 | 铝、铂 |
| 反磁性材料 | 磁矩成对排列，相互抵消，无自发磁化 | 水、铜 |
| 铁磁性材料 | 自发磁化强，磁矩自发排列，易磁化且磁滞现象明显 | 铁、钴、镍 |

在铁磁性材料的范畴中，还有一类材料叫做反铁磁性材料。它们的磁矩在空间的一定区域内自发地以一种方向排列，在相邻的区域里自发地以相反方向排列。因此，整体看起来这些材料并不表现出宏观的磁性。

#### 2.1.2 磁性相互作用理论
磁性材料的性质是由其内部的磁性相互作用决定的。这些相互作用主要包括：

- 交换相互作用（Exchange Interaction）
- 静磁相互作用（Magnetostatic Interaction）
- 多体相互作用（Many-Body Interactions）

交换相互作用是一种量子力学效应，描述的是原子或分子间通过电子的交换来产生磁性力，它决定了磁矩的排列方式。这个相互作用可以是铁磁性的也可以是反铁磁性的。

静磁相互作用描述的是磁矩产生的磁场对其他磁矩的力，这种相互作用在整个材料中是长程的。

多体相互作用涉及的是电子间的相互作用，它们在金属和半导体中可以对磁性产生显著的影响。

### 2.2 VASP磁性计算设置
#### 2.2.1 INCAR文件中的磁性参数设置
VASP通过输入文件INCAR来设置计算的参数。在进行磁性模拟时，需要特别关注与磁性相关的参数，如`ISPIN`、`MAGMOM`和`LORBIT`等。

`ISPIN`参数用于控制自旋极化计算的开启与关闭。当设置为`.TRUE.`时，VASP会考虑自旋极化的效应。

`MAGMOM`参数用于定义每个原子或原子群的磁矩。对于铁磁性材料，通常为原子的自旋多重度；对于反铁磁性材料，则为原子或原子群之间的磁矩差值。

`LORBIT`参数用于控制投影态密度的输出，从而帮助用户分析不同原子轨道对磁性结构的贡献。

#### 2.2.2 KPOINTS和POSCAR与磁性计算
KPOINTS文件定义了k点网格的设置，这对于自旋极化计算非常关键。比如，在磁性计算中，通常需要足够密集的k点网格来确保能量的准确计算。

POSCAR文件包含了晶体的结构信息，其中包括原子的坐标、种类和数量。对于磁性模拟来说，原子的初始磁矩排列也是通过POSCAR来设定的。

### 2.3 磁性材料计算的实践案例
#### 2.3.1 纯磁性材料模拟
在纯磁性材料的模拟中，我们通常关注的是材料的磁矩大小、磁化曲线等基本磁性特性。通过VASP计算，可以预测材料的居里温度、磁各向异性等参数。对于铁磁性材料如纯铁，初始磁矩设置为相同方向的高自旋态，计算结束后可以观察到磁矩的具体分布情况。

#### 2.3.2 反铁磁性与铁磁性材料模拟
在反铁磁性材料的模拟中，例如MnO，需要设置相邻磁矩反向排列的初始状态。通过优化计算，VASP可以提供材料的磁结构和磁相变温度等信息。反铁磁性材料模拟的一个关键点在于正确地初始化磁矩的反向排列。

### 2.4 代码块展示与解析
以下是设置VASP进行磁性材料模拟的一个简单示例代码块，解释随后给出：

#!/bin/bash
# 定义计算的起始和结束点
START=$(date +%s)
# 设置计算的参数
cat > INCAR << EOF
SYSTEM = Fe magnetic calculation
ISPIN = .TRUE.
MAGMOM = 5*2.0
LORBIT = 11
ISMEAR = 0
SIGMA = 0.1
ENCUT = 500
IBRION = -1
NSW = 0
NELM = 100
LAECHG = .FALSE.
LWAVE = .FALSE.
ICHARG = 1
KPAR = 2
# 定义k点
KPOINTS
6
rec
0 0 0
0.5 0 0
0 0.5 0
0.5 0.5 0
0 0 0.5
0.5 0 0.5
EOF
# 初始磁矩设置
cat > POSCAR << EOF
Fe
1.0