聲子譜的案例
北鯤教程 ｜不同壓強下ZnO的聲子譜計算及其收斂性測試 | 文末送100算力金啦
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 計算化學:如何在云平臺上計算聲子譜
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 基于VASP+phonopy+shengbte計算聲子相干的熱學性質
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?。┤缓笥嬎忝總€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 VASP結合vaspkit+ShengBTE計算熱電優值（一）
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?？紤]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）?？蓞⒖纪鯇幉┦吭贐站的視頻[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 
【11月29日-12月2日 北京】 關于“第一性原理計算方法及應用”專題培訓班
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：
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展開 ABINIT 總體介紹
該程序共包括8個功能模塊，其中ISOTROPY為主模塊，提供詳細的群論知識；ISODISPLACE確定與空間群不可約表征相關的晶體結構的位移型畸變；FINDSYM根據晶胞中的原子位置確定晶體的空間群對稱性；COPL根據母相和子相的空間群對稱性，確定完整的相變序參量列表；INVARIANTS產生序參量各組分的不變多相式；SMODES尋找晶體中將動態矩陣（最?。K對角化的位移模式；RELATION確定兩個晶體是否具有群－子群關系；FROZSL用凍聲子法計算聲子頻率與位移模式；COMSUBS尋找重構相變中兩個結構的共有子群。
該程序在深騰6800上的安裝路徑為/home4/qmhu/accessory/isobyu。作者不提供該軟件的源程序。使用指南請見該目錄下的isoman.pdf。
1.2.4 PHON
PHON是Alfe開發的一個計算聲子譜及熱力學的程序。它以用戶所給出的晶體結構模型為輸入，產生用第一原理計算該模型的晶格聲子行為所應該施加的位移；通過分析這些位移所引起的作用在原子上的力(可以用第一原理計算得到)，該程序可以給出晶體的振動頻率，聲子譜等。更進一步，它還可以計算出晶體的一些熱力學性能，如Helmholtz自由能，振動熵，比熱，及內能等。
該程序在深騰上的安裝路徑為/home4/qmhu/accessory/phon。程序的編譯及使用指南，請參見該軟件內的說明（manual.ps）。
1.2.5 ATAT
ATAT是Walle及其合作者開發的一個利用第一原理結合MonteCarlo模擬計算相圖及熱力學性能的軟件包。該軟件包首先采用團簇展開(cluster expansion)，用第一原理方法計算一系列構型的形成能，然后用這些能量作為Monte Carlo模擬的哈密頓量，計算材料的熱力學性能。
展開 南京師范大學李亞飛JACS：PtTe單層材料作為氧還原反應電催化劑
幾何結構視圖與聲子譜
PtTe單層的（a）幾何結構的俯視圖（上部）和側視圖（底部），以及（b）聲子譜。藍色和橙色球分別代表Pt和Te原子。
圖2. 單層的能帶結構和態密度及切面
（a）PtTe單層的能帶結構（左）和態密度（DOS）（右）。（b）沿(001)方向的PtTe單層的電子局域功函數。I和II分別指示處于Pt-Pt和Pt-Te鍵中心的切面。等值面0和1分別表示低和高電子定域性。
圖3. ORR中間體的幾何構型和自由能曲線
ORR中間體的幾何構型：（a）2O*，（b）O*+OH*，（c）O*和（d）OH*。紅色和綠色球分別代表O和H原子。（e）在U=0 V下PtTe表面上的解離ORR途徑的自由能曲線，Te-O鍵長以?表示。
圖4. 模擬的極化曲線
PtTe單層和Pt(111)的模擬極化曲線。Pt(111)的能量數據取自參考文獻。
【小結】
本項工作在DFT計算的基礎上，系統地研究了新型2D PtTe單層的結構、電子和催化性質。研究結果說明，PtTe單層是一種穩定的2D結構，并可以通過剝離方法獲得。由于其存在Pt原子內層，PtTe單層具有金屬性，十分有利于電催化過程?；贑HE模型的計算和微動力學模擬證明PtTe單層具有優異的催化活性和高4e過程選擇性，是一個非常有前景的燃料電池陰極催化劑。作者等人非常有信心PtTe單層可在實驗室中實現制備，并且在不久的將來可用作ORR催化劑。
展開 聲音的彩虹...
根據卷積定理：函數卷積的傅里葉變換是函數傅里葉變換的乘積，即時域中的卷積 (原子振動軌跡) 即為頻域中的乘積 (聲子)。聲子譜中各種聲子色散關系的乘積擬或呈現出通用的一致性規律 (圖7b & 7c)。在這樣的物理背景及規律下，聲子輸運研究發展又將迎來怎樣的機遇擬或面臨怎樣的挑戰？
圖7. (a) 真實空間原子振動軌跡與倒逆空間聲子波形；(b) 考慮原子周期性排布的一維晶體sine 聲子色散；(c) 聲子譜中聲學支與光學支聲子色散的乘積為sine函數。
在晶體材料中，隨著材料中原子間質量/作用力的差異增大 (適用于絕大多數熱阻材料)，聲學支 (低頻率) 聲子分布越來越接近sine 函數。若將固體材料中晶格的周期性邊界條件納入考慮，通過近似聲學支為sine 函數，將得到一系列常數頻率的光學支 (高頻率) 聲子 (即Einstein 模，圖3b)，從而獲得比 Debye 近似更接近真實情況的聲子分布。這是一種簡單而又實用的近似。
筆者膽大妄為一回，掘地三尺，收集了高達四百多種固體材料熱導率的實驗結果，并與理論預測結果對比。我們清晰看到，這種聲子分布成功消除了此前基于 Debye 線性分布近似對晶格熱導率的整體高估問題，將晶格熱導率預測的絕對偏差從此前的 +40 % 降低至0附近，準確度獲得大幅提高 (圖4c & 4f & 4i)，可謂成功還原聲音彩虹的本色。
5. 熱電形勢下的聲子
其實，聲子和固體熱導率，特別是復雜結構的晶格熱導率計算很麻煩。做第一性原理計算的物理人一貫懼怕聲子譜計算。原因之一是聲子譜計算量大，但聲的彩虹并不漂亮，因為只能間接地去“聽”而不能“看”那些低頻的聲音。其實，人類的“聽”覺也可以很美，就像聽杰奎琳·杜普雷的《殤》也可以讓人潸然淚下一般。
展開 利用MS的CASTEP模塊計算鐵磁性鐵聲子譜
計算聲子散射和聲子態密度(DOS)
為了計算聲子散射和聲子態密度，必須執行單點能量計算，并為計算選擇適當的性能。
確保Fe CASTEP GeomOpt目錄中的Fe.xsd是活動文檔。
在CASTEP Calculation對話框上選擇Setup選項卡，并設置Task為Energy。
在Properties選項卡上，選擇Phonons復選框，選擇Both 選項以選中態密度和散射。取消選擇Calculate LO-TO splitting，將Method選為Finite displacement。
縱向光學橫向光學(LO)劈裂不能對金屬進行計算，因為它們在Γ-point是相同的。有限位移方案被設計用于金屬和自旋極化系統(以及為那些具有高效超軟勢能的系統)。對鐵磁性Fe這是理想的計算聲子勢能的方法。
點擊More...按鈕，顯示CASTEP Phonon Properties Setup對話框。確保Method為Finite displacement。設置Supercell defined by cutoff radius值為3.6 ?。將Dispersion和Density of states的Quality值都設置為Fine。關閉CASTEP Phonon Properties Setup對話框。
注意：Cutoff radius的選擇對有限位移運算是至關重要的參數。當使用較大的cutoff radius值時精度較高，因為這時考慮了更多的近鄰。然而，隨著該值的增加，計算時間增加的非常迅速。出于實際原因，在本教程中，對該參數選擇了較小的值。聲子頻率的收斂作為cutoff radius的函數在執行有意義的實驗計算時應該被研究。
選擇Job Control選項卡并為計算選擇Gateway。
展開 中科院合肥研究院田興友研究員和張獻研究員團隊構筑高導熱聚酰亞胺柔性絕緣膜
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。氮化碳的引入，不僅抑制了rGO導電網絡的形成，且其表面豐富的活性基團使rGO@CN與PI基體間有良好的相容性，從而避免了填料團聚，這是構筑有序導熱通路的關鍵。該研究為工業生產高導熱聚酰亞胺柔性絕緣膜提供了新的思路。
圖2. （a）PI/rGO@CN復合膜在不同填料含量下的面內導熱率；（b）PI/rGO@CN復合膜的Foygel模型擬合；（c）CN和rGO的聲子譜；（d）rGO@CN傳熱模型圖；（e）GO@CN體系的穩態溫度分布；（f）穩態條件下的能量隨時間變化曲線；（g）PI/rGO@CN復合膜的熱傳遞示意圖。
該工作得到了國家重點研發計劃、中科院STS重點項目和安徽省自然科學基金等多個項目的資助。
展開 小邦科研、科研好幫手
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
華中科大牛廣達教授Nature子刊：鈣鈦礦在光聲換能器成功應用！
理論計算的聲子譜表明，光學聲子和聲學聲子的重疊導致聲學聲子的上轉換，從而導致實驗測量的低熱擴散系數。PDMS/MAPbI3/PDMS的組裝器件同時實現了寬帶寬（?6 dB帶寬：40.8 MHz；中心頻率29.2 MHz）和高轉換效率（2.97 × 10?2），而所有這些參數都是光聲換能器的記錄值。還通過將鈣鈦礦薄膜組裝到纖維上來制造微型器件，并清楚地解析了魚眼的精細結構，這證明了基于鈣鈦礦的光聲換能器在超聲成像方面的強大競爭力。相關論文以題為“Lead halide perovskite for efficient optoacoustic conversion and application toward high-resolution ultrasound imaging”發表在Nature Communications期刊上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-23788-4
鹵化鉛鈣鈦礦由于吸收系數大、缺陷密度低、載流子壽命長和制造工藝方便，最近成為有吸引力的光電半導體材料。這些特性有利于太陽能電池、發光二極管、光電探測器和輻射探測器的優異器件性能。基于鈣鈦礦的太陽能電池已獲得認證的25.2%的功率轉換效率，接近單晶硅太陽能電池。鹵化鉛鈣鈦礦的另一個非凡的特性是熱性能，例如低導熱率和小比熱容，盡管有潛在的應用，但受到的關注有限。Pisoni及其同事報告說CH3NH3PbI3的低熱導率為0.5 W m-1 K-1。最近的研究發現，金屬鹵化物鈣鈦礦中存在光聲子和聲聲子的強耦合，強耦合使聲子向上躍遷，而聲子負責熱傳輸。上述行為導致聲學聲子壽命短（皮秒），對應于納米平均自由程并表明聲學聲子無法有效散熱。
展開 Nature子刊：北科大邢獻然團隊《Science》后又一發現！
Raman光譜實驗和聲子譜計算證實這一可逆相變過程為四方（P42/nmc）——立方（Fm-3m）。
圖2 二氧化鈰的局域結構與可逆相變
二氧化鈰可逆相變的發現，以及固體局域結構的研究為二氧化鈰材料在電子、催化、能源等領域的應用提供了理論基礎。本論文部分工作與北京理工大學、美國阿貢國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、中科院物理所、化學所等單位合作完成，同時，項目得到了國家自然科學基金等支持。（來源：本號綜合報道，參考高精尖創新中心、北科大冶金與生態工程學院等）
VASP介紹及其在對新型合金的研究的運用
· 采用周期性邊界條件(或超原胞模型)處理原子、分子、團簇、納米線(或管)、薄膜、晶體、準晶和無定性材料，以及表面體系和固體
· 計算材料的結構參數(鍵長,鍵角,晶格常數，原子位置等)和構型
· 計算材料的狀態方程和力學性質(體彈性模量和彈性常數)
· 計算材料的電子結構(能級、電荷密度分布、能帶、電子態密度和ELF)
· 計算材料的光學性質
· 計算材料的磁學性質
· 計算材料的晶格動力學性質(聲子譜等)
· 表面體系的模擬(重構、表面態和STM模擬)
· 從頭分子動力學模擬
· 計算材料的激發態(GW準粒子修正)
二、實例介紹
高熵合金是目前金屬方向的一個較熱的研究熱點。發表于《Journal of Alloys and Compounds》的“An ab initio and experimental studies of the structure, mechanical parameters and state density on the refractory high-entropy alloy systems”使用vasp對難熔金屬高熵合金進行了研究。
首先作者根據實驗的結果建立了SQS面心立方模型，使用VASP對其晶體參數進行了計算。計算所得的晶格常數與實驗值一致性較好。
之后，為了對合成的合金的熱力學穩定性進行估計，作者又計算了其結合能和生成焓。結果可見，該金屬體系的生成焓為負值，說明其有較好的熱力學穩定性。
對于金屬體系，力學性能是一個非常重要的性質，而使用VASP可以直接計算楊氏模量，切變模量，體積模量等一系列的力學參數。接下來作者對該系列合金的力學參數進行了計算并進行了討論。接下來通過對密度態的計算，作者對該合金體系中各個元素的電子結構和結合狀態進行了討論。
展開 JPCL：孤立電子對一定會導致低熱導率嗎？
圖3 Penta-graphene、penta-CN2、graphene、C3N聲子譜及非簡諧性分析
Penta-CN2的非簡諧性弱于penta-graphene，與κL的結果一致。
圖4電子結構
Penta-CN2和平面C3N的N中，未成鍵的s電子形成孤立電子對。
圖5非簡諧性的電子起源分析——孤立電子對
Penta-CN2和平面C3N中，s2孤立電子對的分布形態差別很大。
圖6 Penta-graphene和penta-CN2的晶格比較
Penta-CN2中孤立電子對和成鍵電子間作用，使其相較于penta-graphene擁有小的鍵角和更均勻的鍵長。
文獻鏈接：
Huimin Wang?, Guangzhao Qin?, Zhenzhen Qin, Guojian Li, Qiang Wang*, and Ming Hu*, Lone-pair Electrons do not Necessarily Lead to Low Lattice Thermal Conductivity: An Exception of Two-dimensional Penta-CN2, J. Phys. Chem. Lett. 9, 2474-2483 (2018).
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