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示例 05：SCF 策略——OT、对角化 + 混合、金属展宽与波函数重启

配套教程：第5章 SCF 策略：OT、对角化、展宽与重启

目的

用四个小体系演示 CP2K Quickstep 的几种 SCF 求解方式：

输入 体系 演示内容
h2o_ot.inp 孤立 H2O（12 Å 盒子，MT 求解器） OT（DIIS + FULL_ALL）+ &OUTER_SCF，写出 h2o_ot-RESTART.wfn
restart_from_wfn.inp 同上，TZV2P 基组，600 Ry SCF_GUESS RESTART + &DFT/WFN_RESTART_FILE_NAME，从 DZVP 波函数起步
si_diag_broyden.inp 体相 Si（8 原子立方胞），MP 4×4×4 k 点下必须用对角化；BROYDEN_MIXING；写出 .kp 重启文件
al_metal_smear.inp fcc Al（4 原子惯用胞），MP 8×8×8 金属：对角化 + Broyden（ALPHA 0.2）+ Fermi–Dirac 500 K + ADDED_MOS 10

所有输入都用 PBE、BASIS_MOLOPT_UZH 加 POTENTIAL_UZH（DZVP/TZV2P-MOLOPT-PBE-GTH-qN 配 GTH-PBE-qN），只使用 CP2K 2024.1–2026.2 都支持的关键字。

文件说明

文件 说明
h2o_ot.inp OT 示例（RUN_TYPE ENERGY_FORCE）
restart_from_wfn.inp 波函数重启示例，必须在 h2o_ot.inp 之后运行
si_diag_broyden.inp 对角化 + Broyden + k 点示例（RUN_TYPE ENERGY）
al_metal_smear.inp 金属展宽示例（RUN_TYPE ENERGY_FORCE），坐标直接写在 &COORD SCALED 中
h2o.xyz H2O 坐标（实验气相几何），用 &CENTER_COORDINATES 放到盒子中心
si_bulk8.xyz Si8 坐标（a = 5.431 Å）
job_slurm.sh Slurm 作业脚本，默认按正确顺序运行全部四个输入，也可只运行指定的输入

运行步骤

cd CP2K/examples/05-scf-strategy
export CP2K_DATA_DIR=/path/to/cp2k/data      # 若已内置可省略

# 语法检查（逐个）
for f in *.inp; do cp2k.psmp -c "$f" > /dev/null && echo "$f OK"; done

# 本地运行
mpirun -np 4 cp2k.psmp -i h2o_ot.inp           -o h2o_ot.out
mpirun -np 4 cp2k.psmp -i restart_from_wfn.inp -o restart_from_wfn.out
mpirun -np 8 cp2k.psmp -i si_diag_broyden.inp  -o si_diag_broyden.out
mpirun -np 8 cp2k.psmp -i al_metal_smear.inp   -o al_metal_smear.out

# 或提交到 Slurm
sbatch job_slurm.sh

预期结果 / 如何检查

grep "SCF run converged"   *.out            # 每个输出都应出现
grep "outer SCF loop"      h2o_ot.out       # OT 外层循环收敛信息
grep -E "OT (DIIS|CG|LS)"  h2o_ot.out | head
grep -i "does not exist"   restart_from_wfn.out   # 应为空：说明重启文件被找到
grep "BRILLOUIN| List of Kpoints" si_diag_broyden.out al_metal_smear.out
grep -E "Broy\./Diag\."    si_diag_broyden.out | head
grep -E "Fermi energy|Electronic entropic energy" al_metal_smear.out | tail -2
grep -i "smearing includes the last MO" al_metal_smear.out   # 应为空
ls *-RESTART.wfn *-RESTART.kp
  • h2o_ot.out：SCF 迭代行的方法列为 OT DIIS（或 OT LS），最后出现 outer SCF loop converged in ... iterations；
  • restart_from_wfn.out：SCF 步数应少于从 ATOMIC 起步的同一计算（可以把 SCF_GUESS 改成 ATOMIC 对比）；
  • si_diag_broyden.out：第一步是 NoMix/Diag.，之后是 Broy./Diag.，并生成 si8_diag-RESTART.kp（k 点计算写 .kp 而不是 .wfn）；
  • al_metal_smear.out：打印 Electronic entropic energy（即 −TS，为负的小量）和 Fermi energy；用 CP2K ≥ 2026.2 时还会打印 Total energy (extrapolated to T->0)。

本仓库没有附带参考输出；能量、步数和耗时取决于 CP2K 版本、编译方式和并行设置。

注意事项

  • 截断和 k 点网格（H2O 500/600 Ry，Si 350 Ry + 4×4×4，Al 300 Ry + 8×8×8）只是演示值，正式计算请按第4章、第6章做收敛测试；
  • 2026.2 及以前，&OT 不能与 &KPOINTS 或 ADDED_MOS > 0 同时使用，分别报 OT not possible with kpoint calculations 和 OT with ADDED_MOS/=0 not implemented；
  • &SMEAR 中务必显式写 METHOD：≤ 2026.1 的输入参考把默认值标为 ENERGY_WINDOW，2026.2 改为 GAUSSIAN；
  • WFN_RESTART_FILE_NAME 属于 &DFT，不属于 &SCF；从 DZVP 重启到 TZV2P 时赝势必须相同；
  • 不要在这些输入中加 IGNORE_CONVERGENCE_FAILURE；若某个计算不收敛，按教程第 10 节逐项排查。