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示例 16-4：单层 MoS2 的部分电荷（PARCHG）与 STM 模拟

目的

  • 完成"自洽（写 WAVECAR）→ LPARD 后处理"的两步流程；
  • 分别得到占据态（E_F−1 eV … E_F，对应负偏压）和空态（导带底附近，对应正偏压）的部分电荷；
  • 用 Tersoff–Hamann 近似生成恒高、恒流 STM 图像：任意版本可用 stm_from_parchg.py，VASP ≥ 6.5 还可以用 LPARDH5 + py4vasp。

对应教程：第16章 电荷与成键分析（§7）。

文件说明

文件 说明
POSCAR 2H-MoS2 单层，a = 3.19 Å（接近 PBE 值，实验约 3.16 Å），S–S 层间高度 3.13 Å，c = 23 Å（约 20 Å 真空）；未经优化，正式计算请先按 第8章 优化
KPOINTS Γ 中心 12×12×1
INCAR_scf 自洽：NBANDS = 24（留足空带）、LWAVE = .TRUE.
INCAR_parchg_occ LPARD、NBMOD = -3、EINT = -1.0 0.0
INCAR_parchg_empty EINT = 1.0 3.0（相对 E_F，需按自己的导带底调整）
stm_from_parchg.py 从 PARCHG 生成恒高 / 恒流 STM 图（numpy + matplotlib）
plot_stm_py4vasp.py VASP ≥ 6.5 且 LPARDH5 = .TRUE. 时用 py4vasp 画 STM
job.slurm 依次运行自洽、两个 LPARD 步骤和作图
POTCAR 不提供：cat $VASP_PP_PATH/potpaw_PBE/{Mo_pv,S}/POTCAR > POTCAR

运行步骤

cd VASP/examples/16-stm-mos2
cat $VASP_PP_PATH/potpaw_PBE/{Mo_pv,S}/POTCAR > POTCAR
grep -E "TITEL|ZVAL" POTCAR          # Mo_pv: ZVAL = 12；S: ZVAL = 6 -> NELECT = 24

sbatch job.slurm

手动执行时的关键命令：

# 自洽
mkdir scf && cp INCAR_scf scf/INCAR && cp POSCAR KPOINTS POTCAR scf/ && cd scf
mpirun -np 16 vasp_std > vasp.out && cd ..

# 先确定窗口：E-fermi、价带顶、导带底
grep E-fermi scf/OUTCAR | tail -1
grep -E "val. band max|cond. band min|fundamental gap" scf/OUTCAR | tail -3   # VASP >= 6.4.3

# 部分电荷（复制 WAVECAR，INCAR 中 ENCUT/NBANDS/ISMEAR 与自洽一致）
mkdir parchg_occ && cp INCAR_parchg_occ parchg_occ/INCAR && cp POSCAR KPOINTS POTCAR scf/WAVECAR parchg_occ/
cd parchg_occ && mpirun -np 4 vasp_std > vasp.out
python3 ../stm_from_parchg.py PARCHG --mode height --height 3.0 --repeat 6 -o stm_height.png

VASP ≥ 6.5.0（HDF5 编译）：在 INCAR_parchg_* 中取消 LPARDH5 = .TRUE. 的注释，此时不再写 PARCHG，而是写入 vaspout.h5：

pip install py4vasp kaleido
python3 ../plot_stm_py4vasp.py --mode constant_height --tip-height 3.0 --supercell 6
python3 ../plot_stm_py4vasp.py --mode constant_current --current 1.0 --supercell 6

预期结果 / 如何检查

  • parchg_occ/PARCHG 存在且不全为 0：awk 'NR>15 && NF==5' PARCHG | head；
  • 若空态的 PARCHG 很小或全为 0，说明 EINT 窗口落在带隙内：根据 cond. band min 重新设置（NBMOD = -3 时窗口相对 E_F）；
  • stm_from_parchg.py 会打印恒高平面上的密度范围或恒流模式下的起伏（corrugation）；
  • 单层 MoS2 的模拟图像呈六角对称排列的亮点，亮点位于顶层 S 还是 Mo 上方取决于偏压窗口和针尖高度，请结合能带的轨道投影（LORBIT = 11）解释，不要只凭图像判断。

注意事项

  • 只设 LPARD = .TRUE. 而不设 EINT/IBAND 时，VASP 只写一个不含 augmentation 的 CHGCAR，不会产生 PARCHG；
  • LPARD 步骤的 ENCUT、NBANDS、ISPIN、ISYM、k 点必须与生成 WAVECAR 的自洽计算相同；
  • KPUSE/LSEPK 会把 k 点权重设为 1，需要自洽与后处理都用 ISYM = -1；
  • 非共线（SOC）计算不支持 LPARD；
  • STM 图像的亮暗与偏压、针尖高度、平滑参数有关，只适合定性比较。