Vaspkit做电荷密度差图

Jincheng Liu VASPKIT 格点文件电荷密度

Created At : 2019-07-12 00:00

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CHGCAR文件格式
Vaspkit计算两个片段的电荷密度差
Vaspkit计算变形电荷密度差
Vaspkit计算外加电场下的电荷密度差
电荷密度差作图

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Vaspkit可以方便的处理VASP输出的电荷密度文件(CHGCAR)，做电荷密度差分处理，VTST脚本或者VESTA也可以做，但是不如VASPKIT方便灵活。
（注：此文中讲述的功能同样适用于任何的实空间函数形式的文件处理，比如静电势差值图(LOCPOT)，电子定域化函数差值图(ELFCAR)，能带分解的电荷密度插值图(PARCHG)等等。）

电荷密度差分（charge density difference）是研究电子结构的重要手段之一。可以直观的得到两个片段相互作用后的电子流向，原子形成分子过程中电子密度的变化、探究化学键的本质。电荷密度差分有以下几种形式：

（1）体系的电荷密度减去组成它的两个或几个片段的密度：
$$
\Delta \rho=\rho_{A B}-\rho_{A}-\rho_{B}
$$

$$
\Delta \rho=\rho_{A B C}-\rho_{A}-\rho_{B}-\rho_{C}
$$

（2）自洽计算收敛以后体系的电荷密度减去该原子构型下每个原子的球对称的电荷密度(即初猜电荷密度)，也称为变形电荷密度(Deformation charge density)
$$
\Delta \rho=\rho\left(A B_{\text { self-consistent }}\right)-\rho\left(A B_{\text { atomic }}\right)
$$

（3）在某个状态的密度减去这个体系在另外一个状态的密度。比如：外加电场作用下的电荷密度减去没有外势场的电荷密度。再比如：激发态的密度减去它在基态时的密度。
$$
\Delta \rho=\rho\left(A B_{\text { state 1 }}\right)-\rho\left(A B_{\text { state 0 }}\right)
$$

以上三种电荷密度差，无论哪一种计算又要保证原子坐标坐标必须一致！

(1)的计算只需要优化AB的结构，A、B片段保持AB结构中原子坐标，不能再对片段进行结构进行单独优化。

(2)只要优化自洽计算时候的几何结构，计算原子的球对称的电荷密度时候保持坐标不变。

(3)共用其中一个状态的几何构型。

CHGCAR文件格式

CHGCAR是包含电子密度信息的格点文件，对于自旋非极化体系（ISPIN = 1）计算只包含电荷密度，对于自旋极化体系（ISPIN = 2）计算还包含自旋电子密度。可以用VESTA，Jmol等程序打开。
CHGCAR的第一部分和POSCAR, CONTCAR的格式是完全一样的，它包含了最终结构的晶格矢量，原子核坐标等信息。紧接着是三个数字，这三个数是实空间函数的网格密度，对应于NGXF，NGYF，NGZF三个变量。然后是电荷密度信息ρ(r) V_cell。一共有NGXF \ NGYF * NGZF个数值。比如：下面是一个Al₂O₃晶胞计算的CHGCAR文件

Al2O3 Cell opt                          
   1.00000000000000     
     6.138452    0.000551   -0.011568
     5.434311    2.854620   -0.011568
    -1.324042   -0.326661    5.501689
   O    Al
     6     4
Direct
  0.160314  0.160314  0.108934
  0.839686  0.839686  0.891066
  0.495028  0.495028  0.257399
  0.504972  0.504972  0.742601
  0.826429  0.826429  0.432705
  0.173571  0.173571  0.567295
  0.090130  0.090130  0.795615
  0.909870  0.909870  0.204385
  0.342109  0.342109  0.683236
  0.657891  0.657891  0.316764
100  100   96
 0.43432567054E+01 0.44027037758E+01 0.45822813500E+01 0.48861003640E+01 0.53223812855E+01
 0.59054783755E+01 0.66583226816E+01 0.76145085758E+01 0.88190771181E+01 0.10327304760E+02
...

Vaspkit计算两个片段的电荷密度差

以CO分子吸附再Ni(100)表面为例：

步骤一：优化CO/Ni(100)的结构，优化好的CONTCAR文件如下：

 CONTCAR\(3)                            
   1.00000000000000     
     4.9777998924000002    0.0000000000000000    0.0000000000000000
     0.0000000000000000    4.9777998924000002    0.0000000000000000
     0.0000000000000000    0.0000000000000000   23.7996006012000016
   Ni   C    O 
    24     1     1
Selective dynamics
Direct
  0.0000000000000000  0.0000000000000000  0.2000000000000028   F   F   F
  0.0000403141048793  0.0001267891084566  0.3465324639523857   T   T   T
  0.0003869756759585  0.0005016061154492  0.4914092265927721   T   T   T
  0.2500000000000000  0.2500000000000000  0.1260499910000021   F   F   F
  0.2501509938760123  0.2501939027302242  0.2738045972087804   T   T   T
  0.2510445350818244  0.2510358567191133  0.4214201499164574   T   T   T
  0.5000000000000000  0.0000000000000000  0.2000000000000028   F   F   F
  0.5001131027590162  0.0001793013434579  0.3476242737143451   T   T   T
  0.5003637542315573  0.9997315722502194  0.4921789851389491   T   T   T
  0.7499999759999980  0.2500000000000000  0.1260499910000021   F   F   F
  0.7499316556673818  0.2502046005629239  0.2738030513532408   T   T   T
  0.7491890345597767  0.2510567755592561  0.4213836669568778   T   T   T
  0.0000000000000000  0.5000000000000000  0.2000000000000028   F   F   F
  0.0001477148529645  0.5002040345309098  0.3476407140178068   T   T   T
  0.9998279455461869  0.5004850843478295  0.4921814441992751   T   T   T
  0.2500000000000000  0.7499999759999980  0.1260499910000021   F   F   F
  0.2501233421650753  0.7499923211510620  0.2738063435823861   T   T   T
  0.2509685482545621  0.7492259105458245  0.4213662097234874   T   T   T
  0.5000000000000000  0.5000000000000000  0.2000000000000028   F   F   F
  0.5000095461819711  0.5000093692680139  0.3475763670314436   T   T   T
  0.4997626166386695  0.4997469098518152  0.4975764390870765   T   T   T
  0.7499999759999980  0.7499999759999980  0.1260499910000021   F   F   F
  0.7499481468791345  0.7499759622207023  0.2737998574575187   T   T   T
  0.7493532326515719  0.7494160592036465  0.4213303989337192   T   T   T
  0.5053523115939882  0.5076925776123602  0.5706792117914432   T   T   T
  0.5089497223101063  0.5124605842843479  0.6195520236066443   T   T   T

步骤二：分别计算Ni(100)和CO的单点能
CO和Ni(100)片段的坐标从CO/Ni(100)的CONTCAR里直接截取，不要再结构优化！！计算时也要保证三次自洽计算所采用的FFT mesh 一致（NGXF,NGYF,NGZF）

步骤三：用VASPKIT 314功能做电荷差分。依次输入三个片段的CHGCAR路径:

314   
 ======================= File Options ============================
 Input the Names of Charge/Potential Files with Space: 
 (e.g., to get AB-A-B, type: ~/AB/CHGCAR ./A/CHGCAR ../B/CHGCAR)
 (e.g., to get A-B, type: ~/A/CHGCAR ./B/CHGCAR)

 ------------>>
./CHGCAR ./co/CHGCAR ./slab/CHGCAR

  -->> (01) Reading Structural Parameters from ./CHGCAR File...
  -->> (02) Reading Charge Density From ./CHGCAR File...
  -->> (03) Reading Structural Parameters from ./co/CHGCAR File...
  -->> (04) Reading Charge Density From ./co/CHGCAR File...
  -->> (05) Reading Structural Parameters from ./slab/CHGCAR File...
  -->> (06) Reading Charge Density From ./slab/CHGCAR File...
  -->> (07) Written CHGDIFF.vasp File!

生成CHGDIFF.vasp包含电荷密度差的信息，可以直接导入到VESTA里作图。
$$
\Delta \rho=\rho(\mathrm{CO} / \mathrm{Ni})-\rho(\mathrm{CO})-\rho(\mathrm{Ni})
$$
电荷密度差分

Vaspkit计算变形电荷密度差

变形电荷密度差：自洽计算收敛以后体系的电荷密度减去该原子构型下每个原子的球对称的电荷密度(即初猜电荷密度)。

以CO分子为例：

步骤一：先自洽计算优化CO分子。

步骤二：新键文件夹，在优化好的结构基础上用 ICHARG = 12做非自洽计算。

步骤三：用VASPKIT 314功能做电荷差分。依次输入二个CHGCAR路径。

314   
 ======================= File Options ============================
 Input the Names of Charge/Potential Files with Space: 
 (e.g., to get AB-A-B, type: ~/AB/CHGCAR ./A/CHGCAR ../B/CHGCAR)
 (e.g., to get A-B, type: ~/A/CHGCAR ./B/CHGCAR)

 ------------>>
./CHGCAR ./deform/CHGCAR

  -->> (01) Reading Structural Parameters from ./CHGCAR File...
  -->> (02) Reading Charge Density From ./CHGCAR File...
  -->> (03) Reading Structural Parameters from ./deform/CHGCAR File...
  -->> (04) Reading Charge Density From ./deform/CHGCAR File...
  -->> (05) Written CHGDIFF.vasp File!

步骤四：得到 CHGDIFF.vasp文件，导入到VESTA里做图。
$$
\Delta \rho=\rho\left(A B_{\text { self-consistent }}\right)-\rho\left(A B_{\text { atomic }}\right)
$$
变形电荷密度

Vaspkit计算外加电场下的电荷密度差

外加电场作用下的电荷密度减去没有外势场的电荷密度。

以InSe二维单层材料为例：

步骤一：先优化没有外加电场的结构。

步骤二：在同样结构下计算外加电场下做单点自洽计算。添加关键词，EFIELD控制电场力的大小（eV/Angstrom）。F=qE 所以对应电场的单位是E=F/q，因而场强单位是 V/Angstrom

1
2
3

EFIELD = 0.05
IDIPOL = 3
LDIPOL = .TRUE.

步骤三：运行Vaspkit 314功能做电荷差分。依次输入二个CHGCAR路径。

314
 ======================= File Options ============================
 Input the Names of Charge/Potential Files with Space: 
 (e.g., to get AB-A-B, type: ~/AB/CHGCAR ./A/CHGCAR ../B/CHGCAR)
 (e.g., to get A-B, type: ~/A/CHGCAR ./B/CHGCAR)

 ------------>>
./CHGCAR ./noele/CHGCAR

  -->> (01) Reading Structural Parameters from ./CHGCAR File...
  -->> (02) Reading Charge Density From ./CHGCAR File...
  -->> (03) Reading Structural Parameters from ./noele/CHGCAR File...
  -->> (04) Reading Charge Density From ./noele/CHGCAR File...
  -->> (05) Written CHGDIFF.vasp File!

步骤四：得到 CHGDIFF.vasp文件，导入到VESTA里做图。

电荷密度差作图

得到的电荷密度差文件必须作成图才便于被直观地考察，常用的图分为三类：

（1）3D 等值面图，isosurface。

（2）2D 切面图

（3）1D，平面平均的数值，plane-averaged

通常这几种图可以配合使用讨论。等值面图和切面图用VESTA画最方便，平面平均图用VASPKIT生成最方便。注意VESTA对电荷密度的默认单位是e/Bohr³。

得到的CHGDIFF.vasp用vesta打开，isosurface青色部分电荷密度减小，黄色密度电荷密度增加。

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