应用案例

本章将介绍DS-PAW的各种应用实例，具体包括：如何计算磁矩、如何计算反铁磁材料等；用户通过以下应用教程，将可以更深入了解DS-PAW软件的使用。

2.1 氧原子的磁矩计算

本节中我们将以单个氧原子体系为例子来介绍磁性体系的计算。

2.1.1 氧原子自洽计算

由于本次计算的是单个氧原子的磁矩，因此并不需要进行结构弛豫计算，我们直接从自洽计算开始，准备参数文件 scf.in 和结构文件 structure.as ， scf.in 如下：

task = scf
sys.symmetry = false
sys.structure = structure.as
sys.spin = collinear
cal.smearing = 1
cal.sigma = 0.01
cal.kpoints = [1, 1, 1]

本次计算的输入文件中以下几个参数需要重点关注下：

  • sys.symmetry ：本次计算中我们将在关闭对称性的情况下进行计算，因为在DS-PAW中可以通过对称性来减少程序的计算量，但是往往通过对称性优化之后，一些较为细节的东西将会不是特别准确，因此本次计算中将关闭对称性；

  • sys.spin ：指定体系磁性，因为我们知道单个氧原子的磁矩是 2μB ，这里我们将设置体系的磁性为 collinear 也就是 共线自旋 ；

  • cal.kpoints ：在前面的章节中我们介绍过对于没有周期性的维度， K点 可以设置为1；

structure.as 文件参考如下：

Total number of atoms
1
Lattice
7.50000000 0.00000000 0.00000000
0.00000000 8.00000000 0.00000000
0.00000000 0.00000000 8.90000000
Cartesian
O  0.00000000 0.00000000 0.00000000

结构文件中我们使用笛卡尔坐标，因此我们设置第七行中坐标类型为 Cartesian ；为了在结构也尽量的减少对称性，手动晶格改为 [7.5，8，8.9] 格子。

2.1.2 程序运行

准备好输入文件之后，将 scf.in 和 structure.as 文件上传到安装了DS-PAW的环境上，运行 DS-PAW scf.in 命令。

2.1.3 计算结果分析

根据上述的输入文件，计算完成之后将会得到 DS-PAW.log 、 system.json 这2个文件。

使用文本编辑器或者在线显示 json 格式的网页中打开 system.json 文件，具体数据如下：

_images/2-1.png

在 system.json 中找到 Occupation ，可以看到 Spin1 下0，1，2，3个轨道电子的占据为 1 ， Spin2 下只有0，1两个轨道下电子的占据数为 1 ， 所以我们可以得到整个体系带有两个 2μB 的磁矩。

2.2 NiO体系的反铁磁计算

本节中我们将以NiO体系为例子介绍如何设置计算反铁磁计算。

2.2.1 NiO体系自洽计算

本次案例中同样省去了结构弛豫这个过程，用户重现此案例时，可以自行尝试下进行结构弛豫计算，准备参数文件 scf.in 和结构文件 structure.as ， scf.in 如下：

task = scf
sys.structure = structure.as
sys.spin = collinear
cal.smearing = 4
cal.kpoints = [8, 8, 8]
cal.cutoff = 400

本次计算的输入文件中以下几个参数需要重点关注下：

  • cal.smearing ：本次计算中采用 四面体加布洛赫 的方法，当使用该方法时 sigma 将强制被设置为 0 ；

  • sys.spin ：指定体系磁性， NiO 为反铁磁材料因此我们需要设置磁性为 collinear 也就是 共线自旋 ；

  • cal.cutoff ：这里我们设置计算中平面波的截断为 400 ；

structure.as 文件参考如下：

Total number of atoms
4
Lattice
4.16840000 2.08420000 2.08420000
2.08420000 4.16840000 2.08420000
2.08420000 2.08420000 4.16840000
Cartesian Mag
Ni 1.04210000 1.04210000 1.04210000   2.0
Ni 5.21050000 5.21050000 5.21050000   -2.0
O 3.12630000 3.12630000 3.12630000    0
O 7.29470000 7.29470000 7.29470000    0

可以注意到，在结构文件的第七行的 Cartesian 后面加入 Mag 标签，设置了这个标签之后就可以设置每个原子的磁矩了，由于我们需要体现反铁磁（整个体系不显示磁矩，单个原子有磁矩），我们建立了四个原子的晶胞，一个Ni原子设置磁矩为 -2 ，另一个Ni原子设置磁矩为 2 ，两个O原子设置磁矩为 0 。

2.2.2 程序运行

准备好输入文件之后，将 scf.in 和 structure.as 文件上传到安装了DS-PAW的环境上，运行 DS-PAW scf.in 命令。

2.2.3 自洽计算结果分析

根据上述的输入文件，计算完成之后将会得到 DS-PAW.log 、 system.json 这2个文件。 使用文本编辑器或者在线显示 json 格式的网页中打开 system.json 文件，在 system.json 中找到 magnetization ，可以看到自洽完成之后总的磁矩为 1e-08 ，几乎为0。

2.2.4 NiO体系态密度计算

之后准备进行态密度计算，准备参数文件 pdos.in 结构文件 structure.as 和自洽的二进制电荷密度文件 rho.bin ，此时 pdos.in 如下：

task = dos
sys.structure = structure.as
sys.spin = collinear
cal.iniCharge = ./rho.bin
cal.smearing = 4
cal.kpoints = [16, 16, 16]
cal.cutoff = 400
dos.project = true

本次计算中我们打开了态密度的投影。

2.2.5 程序运行

将新建的 pdos.in 文件上传 NiO 的自洽文件夹上，运行 DS-PAW pdos.in 命令。

2.2.6 态密度计算结果分析

根据上述的输入文件，计算完成之后将会得到DS-PAW.log、dos.json这2个文件。使用python对dos.json进行数据处理画出NiO的t2g和eg轨道，具体操作如下：

  1. 我们在计算目录中新建一个 dosplot_t2g_eg.py 文件，内容如下：

1 from pymatgen.electronic_structure.plotter import DosPlotter
2 from dspawpy.io import get_dos_data
3
4 dos_data = get_dos_data("./dos.json")
5 dos_plotter = DosPlotter(stack=False,zero_at_efermi=True)
6 dos_plotter.add_dos_dict(dos_data.get_site_t2g_eg_resolved_dos(dos_data.structure[1]))
7 dos_plotter.save_plot("dos_t2g_eg.png",img_format="png")
8 dos_plotter.show()

  • 第1，2行为需要导入的 python 库函数，这里用到了pymatgen中的 DosPlotter 库，以及我们自己写的 dspawpy.io 中的 get_dos_data 函数；

  • 第4行为读取 dos.json 文件构造 dos_data 结构体；

  • 第5行为调用DosPlotter处理dos_data数据，括号中 stack=False 表示态密度作图方式为曲线， stack=True 表示作图方式为面积， zero_at_efermi 控制是否将零点设为 费米能级 ；

  • 第6行使用 add_dos_dict 获取 投影信息 ，对dos_data进行 get_site_t2g_eg_resolved_dos 操作，获得 投影到轨道 的信息；

  • 第7行为保存图片的名称和格式，这里将数据保存为png格式命名为 dos_t2g_eg.png ；

  • 第8行为显示图片，如果用户运行的环境无法直接显示图片，用户可以将第七行注释了，之后打开 dos_t2g_eg.png 文件查看。

  1. 执行 python dosplot_t2g_eg.py ；

  2. 生成 dos_t2g_eg.png 文件

_images/2-2.png