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示例 12-1：Si 的声子谱、声子 DOS 与热力学性质（phonopy 有限位移）

目的

  • 完成 phonopy 有限位移法的标准流程：紧致优化 → 生成位移超胞 → VASP 单点力 → FORCE_SETS → 声子谱/DOS/热力学；
  • 同时覆盖 phonopy ≥ 4.0（phonopy-init）与 2.x/3.x 的写法；
  • 熟悉 band.conf、mesh.conf、pdos.conf 的关键标签。

对应教程：第12章 声子：phonopy 有限位移与 DFPT（§4–§7）。

文件说明

文件 说明
POSCAR 金刚石 Si 惯用胞（8 原子），a = 5.469 Å（PBE 近似值）；生成超胞前请换成你自己优化后的 CONTCAR
INCAR_relax、KPOINTS_relax 紧致优化：ISIF = 3、EDIFF = 1E-8、EDIFFG = -1E-3；Γ 中心 8×8×8
INCAR、KPOINTS 64 原子超胞单点力：IBRION = -1、NSW = 0、EDIFF = 1E-8、PREC = Accurate、LREAL = .FALSE.；Γ 中心 3×3×3
band.conf Γ–X–W–K–Γ–L 声子谱；DIM = 2 2 2，显式 fcc PRIMITIVE_AXES
mesh.conf 24×24×24 Γ 中心网格，TPROP = .TRUE.（0–1000 K）
pdos.conf 原子投影声子 DOS（PDOS = 1, 2）
run_disp.sh prepare / submit / check / collect 四个子命令，自动识别 phonopy 版本
job.slurm 单个计算目录的 Slurm 脚本
POTCAR 不提供：cat $VASP_PP_PATH/potpaw_PBE/Si/POTCAR > POTCAR

运行步骤

cd VASP/examples/12-si-phonopy-fd
cat $VASP_PP_PATH/potpaw_PBE/Si/POTCAR > POTCAR

# 1) 紧致优化（可重复一次直到体积不变）
mkdir -p relax
cp INCAR_relax relax/INCAR; cp KPOINTS_relax relax/KPOINTS; cp POSCAR POTCAR relax/
(cd relax && sbatch ../job.slurm)
cp relax/CONTCAR POSCAR

# 2) 生成位移超胞并建立 disp-XXX 目录
bash run_disp.sh prepare          # 金刚石 Si 只需 1 个位移 (disp-001)

# 3) 提交、检查
bash run_disp.sh submit
bash run_disp.sh check

# 4) 收集力 -> FORCE_SETS
bash run_disp.sh collect

# 5) 后处理
phonopy --config band.conf -p -s         # phonopy >= 4.x
phonopy --config mesh.conf -p -s
phonopy --config pdos.conf -p -s
# phonopy 2.x/3.x:  phonopy -p -s band.conf   等
phonopy-bandplot --gnuplot band.yaml > band.dat

预期结果 / 如何检查

  • run_disp.sh prepare 输出 created 1 displacement directories；SPOSCAR 为 64 原子；
  • disp-001/OSZICAR 只有 1 个离子步，SCF 未达到 NELM；
  • 后处理日志中 Max drift of force constants 很小（远小于 0.01）；
  • 声子谱无虚频，Γ 点 3 支声学模为 0，光学模在 Γ 点约 15 THz 量级（PBE 近似；实验 Raman 峰约 520 cm⁻¹ ≈ 15.6 THz）；
  • thermal_properties.yaml 中高温 C_V 趋于 Dulong–Petit 极限 3NR ≈ 49.9 J/K/mol（每 2 原子原胞）。

注意事项

  • phonopy 4.10 中 phonopy band.conf（配置文件作位置参数）会报错，必须用 --config；-d、-f、--fc 已移到 phonopy-init。
  • conf 中显式写了 PRIMITIVE_AXES，避免 v4 默认 AUTO 与 v3 默认单位矩阵造成结果不一致。
  • 单点计算不能弛豫（IBRION = -1、NSW = 0）。
  • 收敛检查：把 DIM 改为 3 3 3（DIM="3 3 3" bash run_disp.sh prepare，KPOINTS 改为 2×2×2）比较声子谱。
  • 位移超胞较多时可改用 Slurm job array 提交（见 Common 第2章）。
  • 也可以使用仓库的自动化脚本 ../../scripts/phonopy_workflow.sh（用法见 -h）。