聲子譜
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2020-08-06
聲子譜的實例教程
在本文中，我來做一系列簡單的聲子譜和分析，來為大家演示在寶藏云中一站式科研的全過程。對于材料模擬來說，確定它的動力學穩定性是非常關鍵的一點。聲子譜G點下的小小虛頻，也是無數人的噩夢。但實際上即便是計算“出錯”的聲子譜，也是包含很多信息的，這一點我還尚在學習，將一點心得與此計算過程一切記錄下來。
我們來計算三維體材料ZnO在常壓下和19Gpa靜水壓下的聲子譜，每一個聲子譜計算對他進行k點的測試，最后我們將聲子譜對不同原子進行投影，進一步分析他的晶格振動情況。
分別對常壓下和19Gpa壓強下的ZnO進行結構優化。
a) 建模：正巧在進行試算的時候重裝了系統，一時半會沒有MS用，所以建模則在北鯤云的windows工作站節點下運行。進行計算的是六角纖鋅礦結構Zn0（P63mc）
相當的酷炫，也很流暢，對于我來說，MS只用來建模，所以裝一個幾個G的東西，很劃不來，調用一個4核節點，一小時3毛2，我一度想嘗試安裝一個自定義軟件試試。（譬如荒野大鏢客）
a) 常壓優化INCAR 與 晶格常數
晶格常數：3.165（a、b），5.106（c）
b) 190Gpa INCAR 與 晶格常數。
晶格常數：3.165（a、b），5.106（c）
我專門上vasp論壇看過，靜水壓的單位KB = 0.1Gpa。(見附件，可以找大魚獲取)
對兩種晶格，按網傳的10埃米原理，進行3-4-2的擴胞，共96個原子。
對得到的超胞在1x1x1,2x2x2,3x3x3點網格下進行聲子譜計算，以查看其收斂情況。聲子譜輸入文件如下：
在進行1x1x1（即單G點）計算時，我們可以采取單G點版本來計算，以縮短計算時間。
展開 內容摘自北鯤云五月份直播內容【聲子譜的計算、后處理與分析實例】 另有文章【不同壓強下ZnO的聲子譜計算及其收斂性測試】可在發布的內容中查閱。
所有計算皆在北鯤云超算平臺上完成。
計算聲子譜所需軟件：
1 VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)
結構計算與聲子譜基本計算
2 phonopy 聲子譜的計算與后處理
3 vaspkit 各種后處理
4 Origin，python，matlab 等畫圖軟件
選取標準原胞計算
意義：不容易出錯且節省計算時間嗎，結果比較漂亮
方法：
1 vaspkit-6-602
2 phonopy --symmetry
高精度結構優化
擴胞
原因：VASP直接計算的是Gamma點的聲子情況。
如何擴胞：Phonopy –d –dim=“x x x” –c POSCAR-unitc
擴多大：網傳10A原則
有限差分法/有限位移法/密度泛函微擾理論
后處理：繪制聲子譜圖
提取力常數：
命令：phonopy --fc vasprun.xml
調整控制文件
name.conf M_NAME = l Cr DIM = 2 2 1 BAND = 0.500 0.000 -0.333 0.000 0.000 0.000 0.000 0.667 0.000 FORCE_CONSTANTS = READ BAND_POINTS = 51 #BAND_LABELS = X $\Gamma$ L #DOS = .TRUE.
展開 聲子相干的熱學性質在計算材料領域有著非常重要的地位，我們可以通過第一性原理計算得到任一種晶體的熱力學性質，但是很多小伙伴尤其是初學者還比較陌生，本文介紹基于DFT計算與聲子相關的性質，是用VASP+phonopy+shengbte計算一種材料的聲子譜，聲子態密度，熱力學性質（包括準簡諧近似下的亥姆霍子自由能，等壓熱容Cp，熱膨脹系數，格林愛森參數，和考慮高階聲子的聲子散射，群速度，聲子自由程，熱導率等等）共分為如下幾個部分：
(1). 生成4個輸入文件: POSCAR POTCAR INCAR KPOINTS 然后進行優化（這一步優化精度需要高一點，不然可能會因為優化精度不夠而導致的虛頻）
(2). 通過phonopy擴胞 生成N個位移后的POSCAR（N的數量取決于結構的對稱性，對稱性越好N的個數越少也就是計算量越小）然后計算每個displacement的POSCAR的自洽，得到二階力常數，同時也得到了聲子譜，聲子態密度和等容熱容等熱力學性質
(3). 通過準簡諧近似的方法，考慮聲子隨體積的變化，計算出材料的非簡偕熱力學性質 比如等壓熱容和熱膨脹系數等
(4). 利用thirdorder擴胞生成N個位移后的POSCAR 然后每個都進行自洽得到三階力常數（如有考慮四階力常數的必要可用fourorder擴胞得到四階力常數）
(5).
展開 其中Phonopy用于計算聲子譜及二階力常數，Thirdorder用于計算三階力常數，ShengBTE用于結合前面兩者的結果計算晶格熱導率。
1、Phonopy計算聲子譜及二階力常數
計算聲子譜及二階力常數的具體流程如下：
（1）對初始結構進行高精度的結構優化
這一步中INCAR的主要參數是EDIFFG，一般情況下應達到EDIFFG=-1E-8的標準。考慮優化速度，可以通過優化多次，每次優化時逐步減小EDIFFG直到EDIFFG=-1E-8的方法進行優化。高精度優化中IBRION建議設置為1，且當EDIFFG較小時建議設置ISIF=2。
（2）使用Phonopy進行擴胞
一般情況下，擴胞后的超胞中的原子數達到100就可以了。擴胞后會生成SPOSCAR 與 POSCAR-* 等文件。前者可用于DFPT（密度泛函微擾）方法，后者應用于有限位移法。兩種方法計算的結果沒有區別。
（3）DFPT法
DFPT法需要使用SPOSCAR進行計算（單個任務）。可參考王寧博士在B站的視頻[7]。筆者在這里貼出自己的代碼僅供參考。
計算前需要將原高精度優化的POSCAR 重命名為POSCAR-unitcell SPOSCAR命名為POSCAR。
vasp計算完成后編寫band.conf 并運行以下命令：
這樣就能得到二階力常數文件FORCE_CONSTANTS，以及聲子譜的圖band.pdf數據a.dat。對于聲子譜，我們要保證沒有虛頻，這樣才能保證晶格的穩定性。
2、ThiRDoRDer計算三階力常數
首先需要對高精度優化后的結構擴胞：
與phonopy不同的是參數-d表示考慮哪些近鄰原子的受力來計算力常數矩陣。
展開 課程6 VASP收斂性測試
測試腳本的編寫；Encut、 k-points及其他收斂性測試（表面層數，sigma等）
三、VASP計算與實例一（材料計算專題）：電子結構、彈性模量、聲子譜、分子動力學
課程7 VASP材料理化性質計算及結果分析
7.1 VASP能帶結構與態密度、彈性常數計算
Si能帶 (PBE和HSE)、態密度、電子有效質量、彈性常數計算與分析
7.3分子動力學（MD）模擬簡介
H2O分子動力學模擬
7.4 VASP光學性質計算
Si的光學性質計算與分析(PBE與HSE)
7.5 VASP聲子譜計算
兩種計算方法Si的聲子譜計算
7.6 特殊體系體系的設置方案
HSE06雜化泛函的設置方法；強關聯體系的設置方法（LDA+U）；范德華力參數的設置
7.7 VASP對缺陷、摻雜體系的處理
位錯形成能的計算；雜質能級的引入
實例解析：鈣鈦礦（二維材料）在能源材料方面的應用
四、VASP計算與實例解析二（催化反應專題）：吸附、過渡態以及電荷分析
課程8 VASP表面催化反應計算及結果分析
8.1 固體表面具有催化活性的本質原因解析
8.2 基元反應和復雜反應在固體表面催化反應研究中的關系
8.3 VASP表面吸附
CO吸附在Pt表面計算（吸附能模型和吸附能）
8.4 VASP電荷分析
電荷拆分；Bader電荷計算與結果處理；ELF計算與結果處理
8.5 VASP過渡態搜索
8.5.1 插點和過渡態搜索
8.5.2 頻率分析及零點能矯正方案
8.5.3 消虛頻的方法
實例解析：Pd(111)表面用H2催化消除NO的第一性原理研究
報名方式：
電話
展開 
聲子譜的最新內容
其中Phonopy用于計算聲子譜及二階力常數，Thirdorder用于計算三階力常數，ShengBTE用于結合前面兩者的結果計算晶格熱導率。
1、Phonopy計算聲子譜及二階力常數
計算聲子譜及二階力常數的具體流程如下：
（1）對初始結構進行高精度的結構優化
這一步中INCAR的主要參數是EDIFFG，一般情況下應達到EDIFFG=-1E-8的標準。
聚合物基體和碳納米管填料之間的界面熱阻歸因于它們的聲子譜的巨大不匹配，這是難以消除的。界面焊接是提高聚合物納米復合材料導熱性能的一種有效方法。例如，碳化聚酰亞胺(PI)焊接的3D石墨烯骨架的導熱性提高了兩倍。在我們之前的工作中，石墨層焊接的3D碳納米管網絡由于在結處有效的聲子和應力傳遞而顯示出大大改善的導熱性。通過界面焊接，還觀察到氮化硼和碳化硅納米線網絡的導熱性顯著增強。
內容摘自北鯤云五月份直播內容【聲子譜的計算、后處理與分析實例】 另有文章【不同壓強下ZnO的聲子譜計算及其收斂性測試】可在發布的內容中查閱。
所有計算皆在北鯤云超算平臺上完成。
在本文中，我來做一系列簡單的聲子譜和分析，來為大家演示在寶藏云中一站式科研的全過程。對于材料模擬來說，確定它的動力學穩定性是非常關鍵的一點。聲子譜G點下的小小虛頻，也是無數人的噩夢。但實際上即便是計算“出錯”的聲子譜，也是包含很多信息的，這一點我還尚在學習，將一點心得與此計算過程一切記錄下來。
其他性質：晶格動力學性質（聲子譜），材料體系 激發態（GW準粒子修正） 有需要的老師、同學請加VX：13529745401
計算結束之后，我們可以得到
這兩個的其中一個 就可以畫出聲子譜啦，具體的操做流程可以訪問phonopy的官方網站學習（https://phonopy.github.io/phonopy/ ）
在此，我展示一下計算得到的聲子譜等
(3) 我們通過準簡諧近似（QHA）的方法計算熱膨脹系數和等壓熱容等性質，首先，我們要把優化好的POSCAR加應變（比如0.96
e MAPbI3的計算聲子譜。f 聲子譜的態密度。
圖3. PDMS層厚度對波傳播的影響。a 光聲信號傳播的示意圖。b 隨著PDMS II層厚度的變化，聲壓的理論（虛線）和實驗（實線）結果。c 不同光強下的光聲壓幅值。
圖 4.基于光纖的光聲換能器。a 回波信號檢測示意圖。b 在不同位置被玻璃反射的測量回波信號。
當rGO@CN填充量為10 wt%時，復合薄膜面內導熱系數得到了顯著的提高，達到6.08 W·m-1·K-1，這主要是由于構筑了良好導熱通道以及CN與rGO之間良好的聲子譜匹配。此外，通過紅外熱成像技術探究PI/rGO@CN復合膜實際散熱效果，發現與純PI膜相比，PI/rGO@CN復合膜具有更加優異的面內熱傳遞能力。
這種多尺度層級微結構的存在能夠實現對全譜聲子的散射，實現極低的晶格熱導率。
最終，基于這一高熵穩定基體，通過進一步引入能帶收斂效應，以及誘導層級微結構的形成，p型硫族化合物的熱電性能得到大幅提升，熱電優值可以達到2.0，而基于本工作的p型硫族化合物和之前工作的n型硫族化合物，所制備的分段熱電器件可以實現12%的熱電轉換效率。
圖2.
聲子是固體物理中的一個重要概念，它提供了使用大量重要性能的方法，例如比熱、熱膨脹、熱傳導、電子－聲子相互作用、電阻系數和超導電性等。密度泛函理論(DFT)方法能預測這些性能，CASTEP提供了必要的功能。在點陣動力學計算中有兩種主要的方法：密度泛函微擾理論(DFPT)和有限位移方法。第一種方法通常比較快速并且更加精確，但是它的執行是有問題的，并且受到一系列的限制。目前，在CASTEP中DFPT
