跳转至

示例 09：CP2K 杂化泛函与 ADMM（PBE0、HSE06、截断库仑）

配套教程：第9章 杂化泛函与 ADMM

目的

  • 孤立水分子的 PBE0 + ADMM 几何优化（库仑算符，无截断）；
  • 32 水分子周期盒子：先 PBE 得到波函数，再以其为初猜做 PBE0-TC-LRC + ADMM（截断库仑 + 长程修正，SCREEN_ON_INITIAL_P T）；
  • 64 原子 Si 超胞的 HSE06 + ADMM（SHORTRANGE 算符；2026.2 起 CUTOFF_RADIUS 生效），同一文件内包含 PBE 预计算阶段。

文件说明

文件 说明 版本
h2o_pbe0_admm.inp H2O，PBE0 + ADMM（BASIS_PROJECTION + MO_DIAG），GEO_OPT 2023.1+
water32_pbe_step1.inp 32 H2O（9.8528 Å 立方盒子），PBE 单点，写出 water32_pbe-RESTART.wfn 2023.1+
water32_pbe0_admm_truncated.inp 32 H2O，PBE0-TC-LRC + ADMM，CUTOFF_RADIUS 4.5，从第一步重启 2023.1+
water32.xyz 32 个水分子，fcc 格点 + 随机取向生成，未平衡（最近 O–O 3.48 Å） —
si_hse06_admm.inp Si64，@SET STAGE PBE 或 HSE06；HSE06 阶段从 PBE 波函数重启，ADMM_TYPE ADMM2 HSE06 截断半径需 2026.2
si64.xyz 2×2×2 常规胞金刚石 Si，a = 5.431 Å（实验值），晶胞 10.862 Å —
job_slurm.sh Slurm 脚本，默认 16 MPI × 2 OpenMP（杂化泛函需要更多每进程内存） —

所有输入使用 UZH 的杂化专用基组和赝势：*-MOLOPT-PBE0-GTH-qN（别名 -HYB-）+ GTH-PBE0-qN，ADMM 辅助基组 admm-dzp-qN（BASIS_ADMM_UZH）。

运行步骤

# 0) environment; make sure BASIS_ADMM_UZH and t_c_g.dat are in the data directory
ls "$CP2K_DATA_DIR"/BASIS_ADMM_UZH "$CP2K_DATA_DIR"/t_c_g.dat
cp2k.psmp -c water32_pbe0_admm_truncated.inp

# 1) isolated water (minutes)
mpirun -np 4 cp2k.psmp -i h2o_pbe0_admm.inp -o h2o_pbe0_admm.out

# 2) water box: PBE first, then PBE0 restarted from its wavefunction
mpirun -np 32 cp2k.psmp -i water32_pbe_step1.inp -o water32_pbe_step1.out
export OMP_NUM_THREADS=2
mpirun -np 16 cp2k.psmp -i water32_pbe0_admm_truncated.inp -o water32_pbe0.out
#    or: sbatch --export=ALL,INP=water32_pbe0_admm_truncated.inp job_slurm.sh

# 3) Si64: PBE stage, then HSE06 stage
sed 's/^@SET STAGE .*/@SET STAGE PBE/' si_hse06_admm.inp > si64_pbe.inp
mpirun -np 32 cp2k.psmp -i si64_pbe.inp -o si64_pbe.out          # writes si64_PBE-RESTART.wfn
mpirun -np 16 cp2k.psmp -i si_hse06_admm.inp -o si64_hse06.out

MAX_MEMORY（每个 MPI 进程，MiB）按节点内存调整：示例中 water32 为 2500、Si64 为 3000，即 16 个进程各需约 2.5–3 GB 的 HFX 内存，另加程序本身的占用。

预期结果 / 如何检查

grep "Hartree-Fock Exchange energy:" *.out | awk '{print $1, $NF}'
grep "ADMM|" h2o_pbe0_admm.out | head
grep "HFX_MEM_INFO| Number of sph. ERI's calculated on the fly" water32_pbe0.out | head -1
grep -i "larger than half the minimal cell dimension" *.out          # should be empty
grep -i -A3 "cutoff radius" si64_hse06.out | head                    # see the note below
grep "GEOMETRY OPTIMIZATION COMPLETED" h2o_pbe0_admm.out
grep -i "SCF run NOT converged" *.out                                # should be empty
  • 每个杂化计算的能量分解中都应出现非零的 Hartree-Fock Exchange energy:。
  • water32 PBE0：从 PBE 重启后 SCF 通常十几步内收敛；calculated on the fly 为 0 或很小说明 MAX_MEMORY 够用。第一步 SCF 明显慢于后续各步（ERI 计算），属于正常现象。
  • Si64 HSE06（2026.2）：可能出现提示截断半径小于 erfc 判据所需半径的警告，这是预期的（5 Å 小于自动值约 14 Å），截断半径需要按教程第 7.2 节做收敛测试；在 2026.1 及以前，CUTOFF_RADIUS 对 SHORTRANGE 不起作用，会出现 “larger than half the minimal cell dimension” 警告。
  • Γ 点超胞的 HOMO–LUMO 差不是 Si 的间接带隙；带隙请用第10章的 DOS/能带方法计算（实验值约 1.17 eV）。

注意事项

  • PBE 预计算与杂化计算必须使用同一主基组、赝势和原子顺序，否则波函数重启无效。
  • SCREEN_ON_INITIAL_P T 只能在从重启文件起步时使用；si_hse06_admm.inp 的 HSE06 阶段依赖 si64_PBE-RESTART.wfn。
  • water32.xyz 只用于演示输入，没有经过平衡；研究工作请先平衡结构。
  • 截断库仑要求 CUTOFF_RADIUS 不超过晶胞最小晶面间距的一半（本例 L/2 = 4.93 Å 与 5.43 Å）。
  • 2026.2 新增的 &HF/&ACE 需要对角化 SCF，不能直接加到这些使用 OT 的示例中，见教程第 9 节。
  • k 点杂化（RI-HFXk）的输入片段见教程第 8 节，本目录未提供可直接运行的 k 点杂化示例。