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ABACUS计算模拟实例 | VIII. 基于HSE06的态密度与能带计算
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ABACUS-cases(v12)
ABACUS计算模拟实例 | VIII. 基于HSE06的态密度与能带计算
代码
文本
©️ Copyright 2023 @ Authors
作者：Jinghang Wang (AISI电子结构团队实习生) 📨
日期：2024-5-27
共享协议：本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。
快速开始：点击上方的 开始连接 按钮，选择 ABACUS:3.6.3-user-guide 镜像及 c16_m64_cpu 节点配置，并在连接后点击右上方的切换内核，选择Bash内核稍等片刻即可运行。
代码
文本
🎯 本教程旨在展示使用ABACUS及LibRI完成杂化泛函能带及态密度计算。
代码
文本
本节教程目录如下：
1. 输入文件介绍
2. 能带及态密度计算
代码
文本
在使用ABACUS进行计算时，所有操作都需要在指定的文件夹目录下进行。我们已经准备好了数据集ABACUS-cases，其中文件夹“8”对应本节教程。
代码
文本
[1]
cp -r /bohr/ABACUS-cases-nu6t/v12/ABACUS-cases/8 .
代码
文本
[2]
cd 8 && ls
INPUT KPT STRU plot_band.py run_scf.log INPUT-band KPT-band Si_ONCV_PBE-1.0.upf plot_dos.py time.json INPUT-dos KPT-dos Si_gga_7au_100Ry_2s2p1d.orb run_band.log INPUT-scf OUT.ABACUS abacus.json run_dos.log
代码
文本
1. 输入文件介绍
代码
文本
ABACUS的HSE计算需要调用LibRI。有关LibRI的介绍、ABACUS杂化泛函相关输入参数、使用ABACUS+LibRI做杂化泛函做自洽计算的流程以及注意事项这些内容，相关开发者已经给出了详细的bohrium notebook教程，见：ABACUS+LibRI 做杂化泛函计算教程。本教程在此基础上介绍使用ABACUS+LibRI做杂化泛函能带及态密度的计算流程。
代码
文本
使用ABACUS+LibRI做杂化泛函能带及态密度的计算流程与使用一般泛函（例如LDA、GGA下的泛函）的计算流程完全相同，只需要在INPUT文件中设置参数dft_functional参数便可指定你想使用的泛函。
代码
文本
[3]
cat INPUT-scf
INPUT_PARAMETERS out_chg 1 calculation scf symmetry 1 ecutwfc 100 scf_thr 1e-07 scf_nmax 100 basis_type lcao smearing_method gauss smearing_sigma 0.002 kspacing 0.08 cal_stress 1 cal_force 1 dft_functional hse
代码
文本
重要参数：
dft_functional：指定使用的泛函。hse代表HSE06杂化泛函，可通过exx_hybrid_alpha和exx_hse_omega参数来调整混合参数及屏蔽参数。out_chg：输出电荷文件，用于后续能带及态密度计算。
代码
文本
[4]
cat INPUT-band
INPUT_PARAMETERS symmetry 0 init_chg file calculation nscf dft_functional hse ecutwfc 100 scf_thr 1e-7 scf_nmax 300 basis_type lcao out_band 1 out_bandgap 1
代码
文本
重要参数：
calculation：进行非自洽计算。symmetry：非自洽计算时必须关闭对称性，确保我们指定的k点不会因为对称性而被折叠。init_chg：读取自洽计算得到电荷文件，用于能带计算。calculation：进行非自洽计算，电荷密度不再更新。out_band：在OUT.ABACUS目录下输出能带信息。out_bandgap：在OUT.ABACUS目录下的running_nscf.log中输出带隙信息。
代码
文本
[5]
cat INPUT-dos
INPUT_PARAMETERS symmetry 0 init_chg file calculation nscf dft_functional hse ecutwfc 100 scf_thr 1e-7 scf_nmax 300 basis_type lcao out_dos 1
代码
文本
重要参数：
out_dos：在OUT.ABACUS目录下输出态密度信息。
代码
文本
[6]
cat KPT-band
K_POINTS 8 Line 0.000 0.000 0.000 300 # G 0.500 0.000 0.500 200 # X 0.625 0.250 0.625 200 # U 0.375 0.375 0.750 500 # K 0.000 0.000 0.000 500 # G 0.500 0.500 0.500 200 # L 0.500 0.250 0.750 200 # W 0.500 0.000 0.500 1 # X
代码
文本
[7]
cat KPT-dos
K_POINTS 0 Gamma 15 15 15 0 0 0
代码
文本
[8]
cat STRU
ATOMIC_SPECIES Si 1 Si_ONCV_PBE-1.0.upf NUMERICAL_ORBITAL Si_gga_7au_100Ry_2s2p1d.orb LATTICE_CONSTANT 1.889766 LATTICE_VECTORS 0.0 2.708337 2.708337 2.708337 0.0 2.708337 2.708337 2.708337 0.0 ATOMIC_POSITIONS Direct Si 0.0 2 0.125 0.125 0.125 1 1 1 0.875 0.875 0.875 1 1 1
代码
文本
2. 能带及态密度计算
代码
文本
准备好了输入文件后，我们就可以开始进行计算。使用 ABACUS+LibRI 做杂化泛函计算时，因为内存消耗比较大，推荐给定计算资源的前提下，先尽量使用 OpenMP 多线程并行，再考虑使用 MPI 多进程并行。我们设置OMP_NUM_THREADS为16，表示使用16个线程并行计算。
代码
文本
[9]
# scf calculation
# 这一步预计需要20分钟
cp INPUT-scf INPUT
OMP_NUM_THREADS=16 abacus | tee run_scf.log
ABACUS v3.6.3
Atomic-orbital Based Ab-initio Computation at UStc
Website: http://abacus.ustc.edu.cn/
Documentation: https://abacus.deepmodeling.com/
Repository: https://github.com/abacusmodeling/abacus-develop
https://github.com/deepmodeling/abacus-develop
Commit: 615828b (Tue May 21 10:48:51 2024 +0800)
Thu May 23 23:20:18 2024
MAKE THE DIR : OUT.ABACUS/
RUNNING WITH DEVICE : CPU / Intel(R) Xeon(R) Platinum 8269CY CPU @ 2.50GHz
dft_functional readin is: hse
dft_functional in pseudopot file is: PBE
Please make sure this is what you need
UNIFORM GRID DIM : 48 * 48 * 48
UNIFORM GRID DIM(BIG) : 12 * 12 * 12
DONE(0.0538626 SEC) : SETUP UNITCELL
DONE(0.079452 SEC) : INIT K-POINTS
---------------------------------------------------------
Self-consistent calculations for electrons
---------------------------------------------------------
SPIN KPOINTS PROCESSORS NBASE
1 1376 1 26
---------------------------------------------------------
Use Systematically Improvable Atomic bases
---------------------------------------------------------
ELEMENT ORBITALS NBASE NATOM XC
Si 2s2p1d-7au 13 2
---------------------------------------------------------
Initial plane wave basis and FFT box
---------------------------------------------------------
DONE(0.590667 SEC) : INIT PLANEWAVE
-------------------------------------------
SELF-CONSISTENT :
-------------------------------------------
START CHARGE : atomic
DONE(23.8502 SEC) : INIT SCF
ITER ETOT(eV) EDIFF(eV) DRHO TIME(s)
GE1 -2.141027e+02 0.000000e+00 1.479e-01 2.689e+00
GE2 -2.141211e+02 -1.841148e-02 3.174e-02 2.532e+00
GE3 -2.141221e+02 -9.786757e-04 2.431e-03 2.556e+00
GE4 -2.141221e+02 -8.817232e-06 2.298e-04 2.537e+00
GE5 -2.141221e+02 -9.692720e-08 1.223e-05 2.543e+00
GE6 -2.141221e+02 -4.652934e-10 3.798e-06 2.532e+00
GE7 -2.141221e+02 -5.459681e-11 5.164e-08 2.539e+00
Updating EXX and rerun SCF 8.021e+01 (s)
GE1 -2.140409e+02 0.000000e+00 3.640e-02 9.163e+00
GE2 -2.141562e+02 -1.152929e-01 2.710e-02 9.195e+00
GE3 -2.141530e+02 3.205288e-03 1.333e-02 9.177e+00
GE4 -2.141537e+02 -7.017391e-04 6.908e-04 9.194e+00
GE5 -2.141537e+02 -1.963940e-06 4.199e-05 9.159e+00
GE6 -2.141537e+02 -4.819963e-09 6.540e-06 9.094e+00
GE7 -2.141537e+02 -1.547030e-10 9.388e-07 9.104e+00
GE8 -2.141537e+02 -6.114649e-12 1.180e-07 9.110e+00
GE9 -2.141537e+02 -1.015080e-12 6.945e-09 9.115e+00
Updating EXX and rerun SCF 8.018e+01 (s)
GE1 -2.141555e+02 0.000000e+00 1.239e-03 9.290e+00
GE2 -2.141555e+02 -2.728554e-06 2.031e-04 8.925e+00
GE3 -2.141555e+02 -8.282384e-08 1.736e-05 9.112e+00
GE4 -2.141555e+02 -9.819692e-11 5.980e-07 9.111e+00
GE5 -2.141555e+02 1.377609e-12 1.590e-08 9.114e+00
Updating EXX and rerun SCF 7.993e+01 (s)
GE1 -2.141555e+02 0.000000e+00 1.911e-04 1.091e+01
GE2 -2.141555e+02 -7.694189e-08 2.914e-05 9.101e+00
GE3 -2.141555e+02 -2.242675e-09 2.570e-06 9.117e+00
GE4 -2.141555e+02 3.625286e-13 9.001e-08 9.166e+00
Updating EXX and rerun SCF 7.996e+01 (s)
GE1 -2.141555e+02 0.000000e+00 2.808e-05 9.204e+00
GE2 -2.141555e+02 -1.656925e-09 4.198e-06 9.183e+00
GE3 -2.141555e+02 -3.816218e-11 3.750e-07 9.185e+00
GE4 -2.141555e+02 2.900229e-13 1.347e-08 9.189e+00
Updating EXX and rerun SCF 7.992e+01 (s)
GE1 -2.141555e+02 0.000000e+00 4.082e-06 1.439e+01
GE2 -2.141555e+02 -2.561869e-11 6.011e-07 9.225e+00
GE3 -2.141555e+02 2.102666e-12 5.345e-08 9.197e+00
Updating EXX and rerun SCF 8.004e+01 (s)
GE1 -2.141555e+02 0.000000e+00 5.866e-07 9.441e+00
GE2 -2.141555e+02 1.546789e-12 8.552e-08 9.376e+00
Updating EXX and rerun SCF 7.988e+01 (s)
GE1 -2.141555e+02 0.000000e+00 6.616e-08 9.206e+00
----------------------------------------------------------------
TOTAL-STRESS (KBAR)
----------------------------------------------------------------
28.5296021558 -0.0000002139 -0.0000000222
-0.0000000820 28.5296022593 0.0000000526
-0.0000000499 0.0000000661 28.5293464313
----------------------------------------------------------------
TOTAL-PRESSURE: 28.529517 KBAR
TIME STATISTICS
-------------------------------------------------------------------------------------
CLASS_NAME NAME TIME(Sec) CALLS AVG(Sec) PER(%)
-------------------------------------------------------------------------------------
total 1103.00 9 122.56 100.00
Driver reading 0.02 1 0.02 0.00
Input Init 0.01 1 0.01 0.00
Input_Conv Convert 0.00 1 0.00 0.00
Driver driver_line 1102.99 1 1102.99 100.00
UnitCell check_tau 0.00 1 0.00 0.00
ESolver_KS_LCAO before_all_runners 18.63 1 18.63 1.69
PW_Basis_Sup setuptransform 0.02 1 0.02 0.00
PW_Basis_Sup distributeg 0.00 1 0.00 0.00
mymath heapsort 0.00 4 0.00 0.00
PW_Basis_K setuptransform 0.31 1 0.31 0.03
PW_Basis_K distributeg 0.00 1 0.00 0.00
PW_Basis setup_struc_factor 0.01 1 0.01 0.00
NOrbital_Lm extra_uniform 9.68 1875 0.01 0.88
Mathzone_Add1 SplineD2 0.02 1875 0.00 0.00
Mathzone_Add1 Cubic_Spline_Interpolation 0.09 1875 0.00 0.01
Mathzone_Add1 Uni_Deriv_Phi 9.48 1875 0.01 0.86
Exx_LRI init 17.89 1 17.89 1.62
Matrix_Orbs21 init 2.58 2 1.29 0.23
ORB_gaunt_table init_Gaunt_CH 0.15 3 0.05 0.01
ORB_gaunt_table Calc_Gaunt_CH 0.07 82305 0.00 0.01
ORB_gaunt_table init_Gaunt 1.37 3 0.46 0.12
ORB_gaunt_table Get_Gaunt_SH 2.18 3635313 0.00 0.20
Matrix_Orbs21 init_radial 0.00 2 0.00 0.00
Matrix_Orbs21 init_radial_table 12.88 2 6.44 1.17
ORB_table_phi cal_ST_Phi12_R 4.03 3439 0.00 0.37
LRI_CV set_orbitals 8.39 1 8.39 0.76
Matrix_Orbs11 init 0.24 1 0.24 0.02
Matrix_Orbs11 init_radial 0.00 1 0.00 0.00
Matrix_Orbs11 init_radial_table 1.40 1 1.40 0.13
ppcell_vl init_vloc 0.00 1 0.00 0.00
Ions opt_ions 1084.21 1 1084.21 98.30
ESolver_KS_LCAO runner 847.37 1 847.37 76.82
ESolver_KS_LCAO before_scf 5.19 1 5.19 0.47
ESolver_KS_LCAO beforesolver 0.02 1 0.02 0.00
ESolver_KS_LCAO set_matrix_grid 0.01 1 0.01 0.00
atom_arrange search 0.00 1 0.00 0.00
Grid_Technique init 0.01 1 0.01 0.00
Grid_BigCell grid_expansion_index 0.00 2 0.00 0.00
Record_adj for_2d 0.00 1 0.00 0.00
Grid_Driver Find_atom 0.00 88 0.00 0.00
LCAO_domain grid_prepare 0.00 1 0.00 0.00
Veff initialize_HR 0.00 1 0.00 0.00
OverlapNew initialize_SR 0.00 1 0.00 0.00
EkineticNew initialize_HR 0.00 1 0.00 0.00
NonlocalNew initialize_HR 0.00 1 0.00 0.00
Exx_LRI cal_exx_ions 5.14 1 5.14 0.47
LRI_CV cal_datas 1.69 3 0.56 0.15
Charge set_rho_core 0.00 1 0.00 0.00
Charge atomic_rho 0.01 1 0.01 0.00
PW_Basis_Sup recip2real 0.16 212 0.00 0.01
PW_Basis_Sup gathers_scatterp 0.02 212 0.00 0.00
Potential init_pot 0.02 1 0.02 0.00
Potential update_from_charge 6.42 36 0.18 0.58
Potential cal_fixed_v 0.00 1 0.00 0.00
PotLocal cal_fixed_v 0.00 1 0.00 0.00
Potential cal_v_eff 6.42 36 0.18 0.58
H_Hartree_pw v_hartree 0.07 36 0.00 0.01
PW_Basis_Sup real2recip 0.14 221 0.00 0.01
PW_Basis_Sup gatherp_scatters 0.01 221 0.00 0.00
PotXC cal_v_eff 6.34 36 0.18 0.57
XC_Functional v_xc 368.82 22 16.76 33.44
Potential interpolate_vrs 0.01 36 0.00 0.00
H_Ewald_pw compute_ewald 0.00 1 0.00 0.00
Charge_Mixing init_mixing 0.00 8 0.00 0.00
HSolverLCAO solve 275.06 35 7.86 24.94
HamiltLCAO updateHk 218.22 48160 0.00 19.78
OperatorLCAO init 4.60 192640 0.00 0.42
Veff contributeHR 2.03 35 0.06 0.18
Gint_interface cal_gint 3.95 71 0.06 0.36
Gint_interface cal_gint_vlocal 2.02 35 0.06 0.18
Gint_Tools cal_psir_ylm 0.67 7560 0.00 0.06
Gint_k transfer_pvpR 0.01 35 0.00 0.00
OverlapNew calculate_SR 0.02 1 0.02 0.00
OverlapNew contributeHk 11.02 48160 0.00 1.00
EkineticNew contributeHR 0.04 35 0.00 0.00
EkineticNew calculate_HR 0.04 1 0.04 0.00
NonlocalNew contributeHR 0.03 35 0.00 0.00
NonlocalNew calculate_HR 0.03 1 0.03 0.00
OperatorLCAO contributeHk 21.49 48160 0.00 1.95
HSolverLCAO hamiltSolvePsiK 48.17 48160 0.00 4.37
DiagoElpa elpa_solve 35.62 48160 0.00 3.23
ElecStateLCAO psiToRho 8.60 35 0.25 0.78
elecstate cal_dm 1.25 36 0.03 0.11
psiMulPsiMpi pdgemm 0.46 49536 0.00 0.04
DensityMatrix cal_DMR 5.34 36 0.15 0.48
Local_Orbital_wfc wfc_2d_to_grid 0.20 59168 0.00 0.02
Gint transfer_DMR 0.02 35 0.00 0.00
Gint_interface cal_gint_rho 1.71 35 0.05 0.16
Charge_Mixing get_drho 0.00 35 0.00 0.00
Charge mix_rho 0.07 27 0.00 0.01
Charge Broyden_mixing 0.01 27 0.00 0.00
RI_2D_Comm split_m2D_ktoR 387.72 7 55.39 35.15
Exx_LRI cal_exx_elec 171.93 7 24.56 15.59
RI_2D_Comm add_Hexx 180.82 38528 0.00 16.39
XC_Functional v_xc_libxc 6.25 28 0.22 0.57
Exx_LRI write_Hexxs_csr 0.23 1 0.23 0.02
ModuleIO save_sparse 0.20 1 0.20 0.02
ESolver_KS_LCAO out_deepks_labels 0.00 1 0.00 0.00
LCAO_Deepks_Interface out_deepks_labels 0.00 1 0.00 0.00
ESolver_KS_LCAO cal_force 236.84 1 236.84 21.47
Force_Stress_LCAO getForceStress 236.84 1 236.84 21.47
Forces cal_force_loc 0.01 1 0.01 0.00
Forces cal_force_ew 0.00 1 0.00 0.00
Forces cal_force_cc 0.00 1 0.00 0.00
Forces cal_force_scc 0.00 1 0.00 0.00
Stress_Func stress_loc 0.00 1 0.00 0.00
Stress_Func stress_har 0.00 1 0.00 0.00
Stress_Func stress_ewa 0.00 1 0.00 0.00
Stress_Func stress_cc 0.00 1 0.00 0.00
Stress_Func stress_gga 0.04 1 0.04 0.00
Force_LCAO_k ftable_k 0.82 1 0.82 0.07
Force_LCAO_k allocate_k 0.20 1 0.20 0.02
LCAO_gen_fixedH build_ST_new 0.11 2 0.06 0.01
LCAO_gen_fixedH b_NL_mu_new 0.08 1 0.08 0.01
Force_LCAO_k cal_foverlap_k 0.16 1 0.16 0.01
Force_LCAO_k cal_edm_2d 0.16 1 0.16 0.01
Force_LCAO_k cal_ftvnl_dphi_k 0.00 1 0.00 0.00
Force_LCAO_k cal_fvl_dphi_k 0.22 1 0.22 0.02
Gint_interface cal_gint_force 0.22 1 0.22 0.02
Gint_Tools cal_dpsir_ylm 0.13 108 0.00 0.01
Gint_Tools cal_dpsirr_ylm 0.02 108 0.00 0.00
Force_LCAO_k cal_fvnl_dbeta_k_new 0.25 1 0.25 0.02
Exx_LRI cal_exx_force 164.62 1 164.62 14.92
Exx_LRI cal_exx_stress 71.34 1 71.34 6.47
ESolver_KS_LCAO cal_stress 0.00 1 0.00 0.00
ESolver_KS_LCAO after_all_runners 0.07 1 0.07 0.01
ModuleIO write_istate_info 0.07 1 0.07 0.01
-------------------------------------------------------------------------------------
START Time : Thu May 23 23:20:18 2024
FINISH Time : Thu May 23 23:38:41 2024
TOTAL Time : 1103
SEE INFORMATION IN : OUT.ABACUS/
代码
文本
可以看到，使用杂化泛函后自洽计算的时间明显增加。
代码
文本
[10]
# band calculation
cp INPUT-band INPUT && cp KPT-band KPT
OMP_NUM_THREADS=16 abacus | tee run_band.log
已隐藏输出
代码
文本
做完自洽及能带计算后，我们就可以在OUT.ABACUS/running_nscf.log文件中获取带隙。可以看到，相比于使用PBE泛函的计算结果，使用HSE06杂化泛函得到的带隙值更接近实验值。
代码
文本
[11]
# grep bandgap
grep -i -n "bandgap" OUT.ABACUS/running_nscf.log
40229: E_bandgap 1.19808 eV
代码
文本
[14]
# dos calculation
cp INPUT-dos INPUT && cp KPT-dos KPT
OMP_NUM_THREADS=16 abacus | tee run_dos.log
已隐藏输出
代码
文本
完成能带和态密度计算后，在OUT.ABACUS目录下会分别生成能带和态密度数据的.dat文件，可以使用origin等软件进行处理。我们还可以使用ABACUS的代码仓库中提供的python包abacus-plot可视化，关于abacus-plot的介绍见：Plotting tool for ABACUS。下面我们提供了两个脚本分别用于完成能带和态密度的可视化。运行命令后会在OUT.ABACUS目录下生成图片并显示（在bash内核的notebook中无法直接显示图像）。
代码
文本
[12]
cat plot_band.py
import os
import matplotlib.pyplot as plt
import shutil
from PIL import Image
def gen_band_config(efermi, energy_r,jsonf = "config.json"):
import json
config = {
"bandfile": "BANDS_1.dat",
"efermi": efermi,
"energy_range": energy_r,
"bandfig": "band.png",
"kptfile": "KPT",
"dpi": 300
}
json.dump(config,open(jsonf,"w"),indent=4)
def get_efermi(logfile):
with open(logfile) as f:
for line in f.readlines()[::-1]:
if " EFERMI = " in line:
return float(line.split()[-2])
# cp KPT into OUT
current_dir = os.getcwd()
target_dir = os.path.join(current_dir, "OUT.ABACUS")
source_path = os.path.join(current_dir, "KPT")
target_path = os.path.join(target_dir, "KPT")
shutil.copy(source_path, target_path)
# change to OUT
os.chdir("OUT.ABACUS")
# plot band
efermi = get_efermi("running_scf.log")
config = gen_band_config(efermi, [-4,4] ,"config.json")
os.system("abacus-plot -b")
# plot show
if os.path.isfile("band.png"):
plt.figure(dpi=300)
plt.axis('off')
plt.imshow(Image.open('band.png'))
plt.show()
else:
print("找不到band.png文件！")
代码
文本
[13]
python3 plot_band.py
代码
文本
图1 使用HSE06杂化泛函计算得到的硅的能带结构
代码
文本
[15]
cat plot_dos.py
import os
import matplotlib.pyplot as plt
import shutil
from PIL import Image
def gen_tdos_config(efermi, energy_r,dos_r,jsonf = "config.json"):
import json
config = {
"tdosfile": "TDOS",
"efermi": efermi,
"energy_range": energy_r,
"dos_range": dos_r,
"tdosfig": "tdos.png",
"dpi": 300
}
json.dump(config,open(jsonf,"w"),indent=4)
def get_efermi(logfile):
with open(logfile) as f:
for line in f.readlines()[::-1]:
if " EFERMI = " in line:
return float(line.split()[-2])
# change to OUT
os.chdir("OUT.ABACUS")
# plot band
efermi = get_efermi("running_scf.log")
config = gen_tdos_config(efermi, [-4,4], [0,5], "config.json")
os.system("abacus-plot -d")
# plot show
if os.path.isfile("tdos.png"):
plt.figure(dpi=300)
plt.axis('off')
plt.imshow(Image.open('tdos.png'))
plt.show()
else:
print("找不到tdos.png文件！")
代码
文本
[16]
python3 plot_dos.py
代码
文本
图2 使用HSE06杂化泛函计算得到硅的态密度
代码
文本
恭喜你完成了第八个ABACUS计算模拟实例🎉
代码
文本
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ABACUS@计算材料学 | 计算模拟实例
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