材料科学软件：VASP二次开发_动力学性质与分子动力学模拟.docx

PAGE1

PAGE1

动力学性质与分子动力学模拟

在材料科学中，动力学性质是研究材料在时间演变过程中行为的重要方面。分子动力学（MolecularDynamics,MD）模拟是一种广泛使用的计算方法，用于研究原子和分子体系的动力学行为。VASP（ViennaAbinitioSimulationPackage）是一种基于密度泛函理论（DFT）的材料模拟软件，虽然其主要功能集中在静态或准静态计算上，但通过二次开发和适当的设置，也可以进行分子动力学模拟。本节将详细介绍如何在VASP中进行分子动力学模拟，包括基本原理、设置方法和实际操作步骤。

1.分子动力学模拟的基本原理

分子动力学模拟的基本原理是通过牛顿运动方程来模拟原子在时间上的运动。在分子动力学模拟中，原子的位置和速度随着时间的推移不断更新，从而可以观察到体系的动态行为。VASP中使用的分子动力学方法通常基于经典的牛顿力学，但也可以结合量子力学的方法来处理更为复杂的体系。

1.1牛顿运动方程

牛顿运动方程是分子动力学模拟的基础，其形式如下：

[=m]

其中，()是作用在原子上的力，(m)是原子的质量，()是原子的加速度。通过数值方法（如Verlet算法）可以求解这些方程，从而得到原子的位置和速度随时间的变化。

1.2温度控制

在分子动力学模拟中，控制体系的温度是非常重要的。VASP提供了多种温度控制方法，包括NVT和NPT系综。常见的温度控制方法有：

Nose-Hoover恒温器：通过引入一个虚拟的温度控制变量来模拟体系的温度。

Andersen恒温器：通过随机改变原子的速度来模拟体系的温度。

1.3压力控制

除了温度控制，压力控制也是分子动力学模拟中常用的技术。VASP可以进行NPT系综模拟，常用的压力控制方法有：

Parrinello-Rahman恒压器：通过引入一个虚拟的应力控制变量来模拟体系的压力。

2.VASP中进行分子动力学模拟的设置

在VASP中进行分子动力学模拟需要设置一些特定的输入参数。这些参数控制着模拟的类型、温度、压力等。本节将详细介绍这些参数的设置方法。

2.1输入文件

VASP中进行分子动力学模拟的主要输入文件包括：

INCAR：控制计算的参数文件。

POSCAR：初始结构文件。

POTCAR：赝势文件。

KPOINTS：k点采样文件。

CONTCAR：输出文件，包含模拟结束时的结构信息。

2.1.1INCAR文件

INCAR文件中需要设置以下关键参数：

IBRION：控制模拟类型。IBRION=0表示分子动力学模拟。

NSW：指定模拟的步数。

POTIM：指定时间步长（通常以飞秒为单位）。

ISIF：控制应力和体积的计算。ISIF=2表示仅计算体积，ISIF=3表示计算应力和体积。

TEBEG和TEEND：指定初始和最终温度。

SMASS：指定质量缩放因子。SMASS=0表示经典的分子动力学，SMASS=-1表示Nose-Hoover恒温器。

2.1.2POSCAR文件

POSCAR文件包含初始结构信息，包括晶格参数、原子种类和位置。确保POSCAR文件中的结构是合理的，尤其是在进行高温模拟时。

2.1.3POTCAR文件

POTCAR文件包含赝势信息。确保选择的赝势与POSCAR文件中的原子种类匹配。

2.1.4KPOINTS文件

KPOINTS文件控制k点采样。对于分子动力学模拟，通常使用较小的k点网格以减少计算成本。

2.2例子：石墨烯的分子动力学模拟

假设我们要进行石墨烯的分子动力学模拟，以研究其在不同温度下的动力学行为。以下是具体的步骤和输入文件示例。

2.2.1INCAR文件

#VASPINCARfileformoleculardynamicssimulation

SYSTEM=Graphene

IBRION=0#Moleculardynamics

NSW=1000#Numberofionicsteps

POTIM=1.0#Timestepinfs

ISIF=2#Novolumerelaxation

TEBEG=300#InitialtemperatureinK

TEEND=300#FinaltemperatureinK

SMASS=0#ClassicalMD

ISMEAR=0#Gaussiansmearing

SIGMA=0.05#Smearingwidt