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示例 02a：第一个 CP2K 计算——H2O 分子与 Si 晶体（First Calculations: H2O & Bulk Si）

目的

熟悉 CP2K 输入文件的结构和输出文件的阅读方法：

  • 孤立 H2O 分子的单点能量（RUN_TYPE ENERGY）与能量 + 原子力（RUN_TYPE ENERGY_FORCE）；
  • 周期性 Si 8 原子立方晶胞的单点能量，用预处理器从命令行切换 Gamma 点 / Monkhorst–Pack k 点；
  • 预处理器 @SET、${VAR}、${VAR-默认值}、@INCLUDE、@IF/@ENDIF、@PRINT 与命令行 -E 的用法。

对应教程 第2章 输入文件结构与第一个计算 第 6、8、9、10 节。

文件说明

文件 说明
h2o.xyz 水分子坐标（标准 xyz：原子数、注释行、3 行坐标，Å），实验平衡构型 r(OH) = 0.9572 Å，∠HOH = 104.52°
h2o_energy.inp H2O 单点能量：PBE，DZVP-MOLOPT-GTH + GTH-PBE，CUTOFF 400/REL_CUTOFF 50，非周期 MT 泊松求解器，OT
h2o_energy_force.inp 同上，RUN_TYPE ENERGY_FORCE 并打印原子力，SCF 更严格
si_bulk8_energy.inp Si 8 原子立方晶胞（a = 5.431 Å），对角化 + Broyden + Fermi–Dirac 展宽；-E NK=n 启用 n×n×n k 点
preprocessor_demo.inp 预处理器演示；变量 BASIS、CUTOFF、USE_OT、PL 可用 -E 修改
h2o_kinds.inc 被 preprocessor_demo.inp 用 @INCLUDE 引入的 &KIND 段

所有输入适用于 CP2K 2023.x–2026.2。

运行步骤

cd CP2K/examples/02-first-calc-h2o-si

# 0) 语法检查
for f in h2o_energy h2o_energy_force si_bulk8_energy preprocessor_demo; do cp2k.psmp -c $f.inp; done

# 1) H2O 单点能量与力（-o 会追加写入，先删除旧输出）
rm -f h2o_energy.out h2o_ef.out
OMP_NUM_THREADS=2 cp2k.ssmp -i h2o_energy.inp -o h2o_energy.out
OMP_NUM_THREADS=2 cp2k.ssmp -i h2o_energy_force.inp -o h2o_ef.out

# 2) Si：Gamma 点与 4x4x4 k 点
rm -f si8_k0.out si8_k4.out
cp2k.ssmp -i si_bulk8_energy.inp -o si8_k0.out
cp2k.ssmp -E NK=4 -i si_bulk8_energy.inp -o si8_k4.out

# 3) 预处理器
cp2k.ssmp -e preprocessor_demo.inp | less          # 展开后的完整输入（含全部默认值）
rm -f demo*.out
cp2k.ssmp -i preprocessor_demo.inp -o demo.out
cp2k.ssmp -E BASIS=TZV2P -E CUTOFF=500 -i preprocessor_demo.inp -o demo_tzv2p.out
cp2k.ssmp -E USE_OT=0 -i preprocessor_demo.inp -o demo_diag.out

MPI 版本：把 cp2k.ssmp 换成 mpirun -np 4 -x OMP_NUM_THREADS=1 cp2k.psmp（OpenMPI）或 mpiexec -n 4 -genv OMP_NUM_THREADS=1 cp2k.psmp（MPICH）。

预期结果 / 如何检查

grep "SCF run converged" *.out
grep "ENERGY| Total FORCE_EVAL" *.out
grep -A6 "FORCES| Atomic forces" h2o_ef.out        # CP2K >= 2025.1
grep -A6 "ATOMIC FORCES" h2o_ef.out                # CP2K <= 2024.x
grep -A6 "Mulliken Population Analysis" h2o_energy.out
grep "count for grid" h2o_energy.out
grep "BRILLOUIN|" si8_k4.out
grep "GLOBAL| Project name" demo*.out
grep "PROGRAM ENDED AT" *.out
  • H2O：SCF 应在十几步内收敛，总能量约 −17.2 Ha（示意；具体数值取决于版本与网格）。h2o_ef.out 中原子力之和（Sum / SUM OF ATOMIC FORCES）应接近 0；各原子受力不为零，因为实验构型不是 PBE/DZVP 的能量极小点。
  • Si：Gamma 点与 4×4×4 的每原子能量差别明显（8 原子晶胞太小，Gamma 点不够），说明需要 k 点收敛。
  • 预处理器：demo_tzv2p.out 的项目名为 h2o_TZV2P_c500_ot1；demo_diag.out 中 SCF 使用对角化（Update method 列不是 OT）。-E XC=BLYP 无效，因为文件中的 @SET XC PBE 会覆盖命令行初值。

注意事项

  • 本目录的输入需要在本目录中运行：h2o.xyz 与 h2o_kinds.inc 按当前工作目录查找。
  • 这里的 CUTOFF/REL_CUTOFF、k 点数只是教学用的起点，正式计算前按 第4章、第6章 收敛。
  • Si 输入使用对角化而不是 OT，因为 CP2K ≤ 2026.2 的 OT 不支持 k 点。
  • 预处理器会处理非注释行中出现的任何 $ 与 @，不要在行尾注释中写这两个字符；@SET 行末不要加注释。

返回教程：第2章 输入文件结构与第一个计算