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理论计算干货：手把手教你USPEX之官方案例讲解2-8

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2020-03-20 08:28

正文

笔者在前面已经写了有关于USPEX的La-H的不同压强下的变组分的结构预测、USPEX的命令详解、官方案例1：8个Si原子的单胞定组分变胞预测最稳定的结构。下面废话不多说，直接介绍余下的官方的案例，看看USPEX还能做哪些事情？

一、 U SPEX 官方案例讲解（2-8）

案例2 ：老规矩，先拷贝在当前目录：USPEX -c 2，再生成准备计算的目录：USPEX -g。

案例2主要目标：在100 GPa，MgAl ₂ O ₄ （28个原子的单胞）使用GULP( General Utility Lattice Program ， http://gulp.curtin.edu.au/gulp/ ，使用力场方法进行计算的软件包，里面有很多有意思热力学计算功能，有机会再介绍 ) -采用Buckingham势-进行变胞计算。这个案例直接揭示了地球内部物理现象，但是由于力场方法精确性不如DFT方法，所以想要更精确的结果，可以改用VASP一类的软件，同时计算时间会增长不少！

看完案例的简单介绍，我们来读一下INPUT.txt，复习一下定成分变胞计算怎么设置参数。

第4行、 calculationMethod （计算方法）：USPEX（遗传演化算法，也就是遗传、变异遗传算法那套原理的改进版）。

第5行、calculationType（计算类型）：300 （3：三维、0：非分子、0：非变组分）

第6行、optType（优化类型）：1（焓值）

第7行、AutoFrac：1（允许系统自动变异演化，比用户自定义的快2倍）。一般建议设置为1即可。

第10行、Mg Al O：计算的体系的原子类型

第14行、4 8 16：计算的体系的Mg、Al、O的个数分别为4、8、16，也就是体系的原子总数为28的MgAl ₂ O ₄ 。

第19行、populationSize (每代多少结构)：40

第20行、numGenerations（要计算多少代）：60 (这个代数，是最多要计算的代数，假如达到收敛的条件，可以在提前结束)

第21行、stopCrit（收敛的条件）：30（单位：代。意思就是假如连续有30代的最优结构的优化类型（本例中为焓值）是一样，那么证明计算收敛了，可以停止计算了）

第22行、bestFrac（上一代用于生成下一代结构的比例）：0.6 （这个值默认值是0.7，在0.6-0.8之间是合理的）

第26行、fracGene（本代由遗传生产结构的比例）：0.5

第27行、fracRand（本代由晶体对称性随机产生结构的比例）：0.2

第28行、fracPerm（本代由置换产生结构的比例）：0.1

第29行、fracAtomsMut（本代由较小的突变产生结构的比例）：0.2

特别需要注意的是：fracGene+ fracRand+ fracPerm+ fracAtomsMut = 1

第35行、计算总能软件的代码：3 3 3 3 （GULP、采用4步优化，那么Specific应该有哪些文件了？等下介绍）

以上就是USPEX所有用于结构优化的软件包

第39行、运行总能计算软件的指令：一般建议不在这个设置这个参数，直接在Submission文件夹里面提交计算任务的脚本里面改就可以了。

第43行、numParallelCalcs（并行计算数）：1(意思就是一次提交1个总能计算任务，计算效率太低，建议设置16个左右)。

第44行、whichCluster(采用什么计算方式)：一般采用1，同第43行原理。

第45行、ExternalPressure（计算外压）：100 (GPa)

把INPUT.txt读完以后，案例2和案例1计算类型和参数设置几乎都是一样，但是需要注意的这次是采用GULP来计算的，那么问题来了！

问题1. Seeds 和AntiSeeds里面的种子文件采用的是GULP格式的吗？

答：不是！还是VASP5 格式的POSCARS。另外提醒一下，种子文件都是POSCARS的形式，跟采用何种结构优化软件包无关！

问题2. Specific里面的文件怎么设置？

GULP计算时，ginput 和goptions一一对应，文件夹里面的文件还和INPUT.txt里面的4次结构优化对应。

文件夹Submission的文件需要读者自己根据自己机器去修改了，然后假如读者机器里面有GULP的话，可以提交任务计算结果和reference对比一下。笔者在此不多说，直接看reference文件夹！

里面的文件和案例2的文件都是一样的，可见定成分变胞计算结果都是由这些文件组成的。现在我们看看结果文件BESTIndividuals和BESTgatheredPOSCARS，其余文件就不再介绍了。

从文件BESTIndividuals中可以看出到了第34代计算停止，之前30代的结构的焓值计算是一样，与INPUT.txt中stopCrit参数值30是对应的。既然有第34代最稳定结构的ID=1562，那么根据ID=1562去BESTgatheredPOSCARS中找结构，直接到文件最后找一下，另存ID=1562的结构信息为一个文本文件，然后拖到VESTA，可以很直观的看到计算出的最稳定的结构究竟长什么样！如图所示，不同的原子颜色和大小不一样。

案例3 ：MgSiO ₃ （每个单胞有20个原子）使用GULP(采用Buckingham势)在知道结构参数的条件下进行结构预测。这个结构的晶格参数和后钙钛矿一致。后钙钛矿的发现（Oganov & Ono, Nature 2004; Murakami et al., Science 2004）在地球科学领域是一个重大突破。

我们直接来来读一下INPUT.txt：

第11-13行、symmetries：16-74。第一次出现，设置生成结构的晶体对称性。三维晶体的取值范围：2-230。

第42-44行、Latticevalues：2.474 8.121 6.138 90.0 90.0 90.0 = b, c, alpha, beta, and gamma values。此参数仅用作初始猜测，仅影响第一代，USPEX计算的每个结构都经过充分优化，并采用与（自由）能量最小值相对应的晶体参数。 INPUT.txt中其他的参数都在案例2中讲解过一次了，就不再解释了。下面我们来继续看一下结果！

可以看出，案例3总共计算20代，共626个结构，得到最稳定的结构的原子结构之后，可以去计算MgSiO ₃ 其他的性质。

案例4 ：预测16个C原子的最稳定的晶胞，但是使用LAMMPS优化结构计算能量，跟案例2、案例3基本上一样的，就不多介绍了!

案例5 ：预测8个Si原子的最稳定的晶胞，但是ATK里面的tight binding近似方法来优化结构计算总能，不多解释啦！

案例6 ：预测10 GPa下8个C原子的最稳定的晶胞，但是使用CASTEP优化结构计算能量，你懂的!

案例7： 预测8个Si原子构成的二维晶体在0 GPa下最稳定的结构。

这个案例有点不一样，我们来直接看一下INPUT.txt，再讲一下不一样的参数怎么构成不一样的计算。

第5行、calculationType：-200。

这个为什么是-2，没这个维数取值呀？不懂直接USPEX –p calculationType！

可以看到2是表面结构，而-2是二维晶体结构，至于二维晶体和表面结构有什么区别？这个问题笔者不能很通俗易懂告诉大家，只能告诉你在USPEX中，二维晶体计算既不需要端点参考能也不需要衬底，而只需设置二维初始结构的厚度即可，而表面计算需要！

第7行、thicknessS：3.0。初始层厚度，最后一个是大写的S，因为是Start的缩写。

第10-12行、vacuumSize：8 9 10 12（20）？。设置真空层厚度，这是二维晶体和表面计算必须要设置的，不然的话，没有真空层，就会有作用力，计算的也就不是二维晶体。而这个参数，这里貌似设置错误了，少了1个参数。

既然，我们读完INPUT.txt，那么有一个问题出来了：Seeds里面的文件怎么去设置了？还是POSCARS，里面还是放所有稳定的Si原子结构！

我们现在来看一下结果！总共计算了13代共295个结构。那么最后一代稳定的结构长什么样了？

显然POSCAR的原子坐标，根本看不出什么，而单胞结构示意图也看不出是二维晶体，做一个3x3x3的超胞，可以看出这就是一个二维晶体！USPEX多么神奇！（示意图是从VESTA里面截图的）

案例8： 36个Mo原子的纳米粒子结构预测。使用Lennard-Jones对势函数的GULP进行结构优化。

这个案例值得看一下INPUT.txt。

第5行、calculationType：000 。纳米颗粒结构计算。

第36-38行、vacuumSize：10 10 11 12 12。真空厚度，案例7已经提到了，显然这个案例中真空层厚度值设置正确了。

这个计算结果，显示在第7代一下突然找到低焓值的结构，然后一直持续到了26代，总共有20代的最稳定的结构的焓值是一样。所以到了第26代计算结束了。而我们查看第26代最稳定的结构示意图如下，也真是纳米颗粒结构！

至此USPEX案例第2-8个案例讲解完毕，下一篇还有一些就是比较心动的关于分子结构的预测、进化准动力学方法、表面结构预测、三元变组分结构预测方面的内容。

二、总结

案例2 ：在100 GPa，MgAl ₂ O ₄ （28个原子的单胞）使用GULP采用Buckingham势-进行变胞计算。（calculationType：300）

案例3 ：MgSiO ₃ （每个单胞有20个原子）使用GULP(采用Buckingham势)在知道结构参数的条件下进行结构预测。（calculationType：300）

案例4 ：预测16个C原子的最稳定的晶胞，但是使用LAMMPS优化结构计算能量。（calculationType：300）

案例5 ：预测8个Si原子的最稳定的晶胞，但是ATK里面的tight binding近似方法来优化结构计算总能。（calculationType：300）

案例6 ：预测10 GPa下8个C原子的最稳定的晶胞，但是使用CASTEP优化结构计算能量。（calculationType：300）

案例7： 预测8个Si原子构成的二维晶体在0 GPa下最稳定的结构。（calculationType： -200）

案例 8 ：36个Mo原子的纳米粒子结构预测。使用Lennard-Jones对势函数的GULP进行结构优化。（calculationType： 000）

其实可以看出，USPEX刚开始开发的时候，主要是用于定组分变胞的三维晶体最稳定的结构预测，后来功能慢慢的扩展开来，能够预测二维晶体、纳米粒子结构以及后面要讲案例中有关分子结构的预测、进化准动力学方法、表面结构预测、三元变组分结构预测方面的内容。

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