利用DFT计算材料的光学性质

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基于DFT理论计算材料的光学性质（光吸收和发光等）的基本方法和步骤

发光

  1. bulk材料结构优化
  2. 基于第一步生成的 WAVECAR，CHGCAR 以及 DOSCAR 等得到相关属性
    • 能带需要再进行一步静态计算
      • VASP能带计算需要读取第一步的CHGCAR文件，则INCAR中需设置ICHARG=11
      • VASP能带计算还要保持INCAR中PREC和ENCUT与第一步一致，还需要查看第一步OUTCAR中给出的约化后的NGX，NGY，NGZ，即FFT格点的大小，并在INCAR中设置相同的值
      • 画能带时需要注意Seekpath或者文献给出的高对称点路径对应的是primitive cell还是conventional cell。用vaspkit的3指令也可以找到高对称点路径，它还会给出标准化后的primitive cell，进一步计算能带时，需要将生成的PRIMCELL.vasp覆盖原有的POSCAR
    • DOS不需要额外的计算，基于第一步的DOSCAR即可
  3. 将优化后的结构文件CONTCAR复制为新的POSCAR，用vaspkit或者disorder生成超胞，基于超胞用disorder生成缺陷结构（需要SPOSCAR和INDSOD输入文件）；或者使用vaspkit进行超胞生成和原子替换 
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    ## INDSOD

    &input
      nsub = 3
      subs = 2,1,13
      symb = 'Eu','Kw','Ca' ! The quotes is unnecessary for the ifort compiler
      site = 1
      prec = 1D-5
      lpro = .true.
      lpos = .true.
      leqa = .true.
      lspg = .true.
      lcfg = .true.
    /
  4. 从第三步中选取一个POSCAR-*文件做结构优化，相关属性计算同第二步
  5. 基于第四步的CONTCAR文件做constrain-DFT计算： 对激发态结构进行结构优化以及相关属性计算
  6. 用Phonopy基于第四步的CONTCAR文件做声子谱计算

密度泛函微扰理论/线性响应方法(DFPT)

  • 扩胞并生成小位移
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# -d 表示生成小位移
# --dim='2 2 2'表示'x y z'方扩的大小 
phonopy -d --dim="2 2 2" -c POSCAR-unitcell

# SPOSCAR为DFPT所需结构文件
cp SPOSCAR POSCAR
  • VASP计算 
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    ## INCAR
     ISMEAR =  0            (Gaussian smearing)
     SIGMA  =  0.05         (Smearing value in eV)
     IBRION =  8            (determines the Hessian matrix using DFPT)
     EDIFF  =  1E-08        (SCF energy convergence; in eV) 
     PREC   =  Accurate     (Precision level)  
     ENCUT  =  500          (Cut-off energy for plane wave basis set, in eV) 
     IALGO  =  38           (Davidson block iteration scheme)
     LREAL  = .FALSE.       (Projection operators: false)
     LWAVE  = .FLASE.       (Write WAVECAR or not)
     LCHARG = .FLASE.       (Write CHGCAR or not) 
     ADDGRID= .TRUE.        (Increase grid; helps GGA convergence) 
     NSW    = 1
     NELM   = 100
     NELMDL = -5

    ## KPOINTS根据超胞大小适当减小
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    0
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    0  0  0
  • phonopy计算 
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    ## band.conf
     ATOM_NAME =Si
     DIM = 2 2 2
     PRIMITIVE_AXES=Auto
     MP = 24 24 24
     BAND =0.0 0.0 0.0  0.5 0.0 0.5  0.625  0.25  0.625, 0.375 0.375 0.75  00 0.0 0.0  0.5 0.5 0.5
     BAND_POINTS = 101
     FORCE_CONSTANTS= READ   #直接读取DFPT给出的力常数

    #1. 提取力常数，得到FORCE_CONSTANTS文件。   
    phonopy --fc vasprun.xml

    #2. 计算声子谱并保存为pdf格式   
    phonopy -c POSCAR-unitcell band.conf -p -s

    #3. 将声子谱进一步输出为数据文件，用于其它软件画图。   
    #旧版本phonopy 
    bandplot --gnuplot> phonon.out

    #新版本phonopy   
    phonopy-bandplot --gnuplot > phonon.out

    #phonon.out文件中首行是高对称点在x轴上的坐标

Finite difference

  • 扩胞并生成小位移 

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    # -d 表示生成小位移
    # --dim='2 2 2'表示'x y z'方扩的大小 
    phonopy -d --dim="2 2 2" -c POSCAR-unitcell
    #会得到一系列POSCAR-001，POSCAR-002,... 数量由对称性决定。

    # 建立disp-*文件夹，具体数量以生成POSCAR-*的数量决定。将POSCAR-POTCAR, INCAR, KPOINTS放入disp-*文件夹
    mkdir disp-001
    cp POSCAR-001 ./disp-001/POSCAR
    cp POTCAR ./disp-001/POTCAR
    cp INCAR ./disp-001/INCAR
    cp KPOINTS ./disp-001/KPOINTS

  • VASP计算 

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    ## INCAR
     PREC = Accurate
     IBRION = -1
     ENCUT = 500
     EDIFF = 1.0e-08
     EDIFFG = -0.001
     ISMEAR = 0
     SIGMA = 0.05
     IALGO = 38
     LREAL = .FALSE.
     LWAVE = .FALSE.
     LCHARG = .FALSE.

    ## KPOINTS根据超胞大小适当减小
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    0  0  0

  • phonopy计算 

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    ## band.conf
     ATOM_NAME =Si
     DIM = 2 2 2
     PRIMITIVE_AXES=Auto
     MP = 24 24 24
     BAND =0.0 0.0 0.0  0.5 0.0 0.5  0.625  0.25  0.625, 0.375 0.375 0.75  0.0 0.0 0.0  0.5 0.5 0.5
     BAND_POINTS = 101
     FULL_FORCE_CONSTANTS = .TRUE.
     FORCE_CONSTANTS= WRITE #生成FORCE_CONSTANTS

    ## mesh.conf
     ATOM_NAME = Si
     DIM = 2 2 2
     MP = 24 24 24

     #1. 提取动力学矩阵，进入disp-*的上一级文件夹
     phonopy -f ./disp-*/vasprun.xml
     #会生成FORCE_SET

     #2. 计算声子谱并保存为pdf格式,同时生成FORCE_CONSTANTS
     phonopy -c POSCAR-unitcell band.conf -p -s

     #3. 将声子谱进一步输出为数据文件，用于其它软件画图。
     #旧版本phonopy
     bandplot  --gnuplot> phonon.out

     #新版本phonopy
     phonopy-bandplot --gnuplot > phonon.out

     #phonon.out文件中首行是高对称点在x轴上的坐标

  1. 基于第四步生成的基态结构CONTCAR_GS和第五步生成的激发态结构CONTCAR_ES，以及第一步得到的bands.yaml，利用pyphotonics计算HR因子和PL光谱(\(\color{Red}{在该方法中，近似认为激发态和基态的振动模式相同，但实际体系中并不一致}\))
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