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输入文件-POTCAR

POTCAR 文件 #

一、作用与赝势类型 #

POTCAR 是指赝势文件（pseudopotential），它描述了每个元素的原子核与内层电子对价电子的等效作用，是 VASP 计算中决定精度与效率的关键输入文件之一。按类型可分为 LDA（local density approximation，局域密度近似）和 GGA（generalized gradient approximation，广义梯度近似），其中 GGA 又分为 PBE（Perdew-Burke-Ernzerhof）和 PW91（Perdew-Wang 91）等，目前主流的计算一般都使用 PBE 赝势。

从实现方式上，VASP 赝势主要分为两类：

  • PAW（Projector Augmented Wave，投影缀加波）：当前最主流、精度最高的方法，VASP 默认推荐，POTCAR 文件名以 PAW_PBE 开头。
  • USPP（Ultrasoft Pseudopotential，超软赝势）：计算速度较快，但精度略低于 PAW，旧版本常用。

在 POTCAR 文件夹中，可以看到各个元素对应的 POTCAR 文件（按元素符号分目录存放）。选择赝势时，如果没有特别的需求，直接采用 VASP 官网推荐的赝势即可（https://www.vasp.at/wiki/index.php/Available_pseudopotentials）。依次点击Standard potentials → List of PBE potentials，在列表中，加粗的是 VASP 推荐的赝势。

二、POTCAR 文件内容解读 #

我们以 O 的 PBE 赝势文件为例，其内容为：

PAW_PBE O 08Apr2002
6.00000000000000
parameters from PSCTR are:
SHA256 = 818f92134a0a090dccd8ba1447fa70422a3b330e708bb4f08108d8ae51209ddf O/POTCAR
COPYR = (c) Copyright 08Apr2002 Georg Kresse
COPYR = This file is part of the software VASP. Any use, copying, and all other rights are regulated by the VASP license agreement.
COPYR = If you do not have a valid VASP license, you may not use, copy or distribute this file.
VRHFIN =O: s2p4
LEXCH = PE
EATOM = 432.3788 eV, 31.7789 Ry
TITEL = PAW_PBE O 08Apr2002
LULTRA = F use ultrasoft PP ?
IUNSCR = 1 unscreen: 0-lin 1-nonlin 2-no
RPACOR = 1.200 partial core radius
POMASS = 16.000; ZVAL = 6.000 mass and valenz
RCORE = 1.520 outmost cutoff radius
RWIGS = 1.550; RWIGS = 0.820 wigner-seitz radius (au A)
ENMAX = 400.000; ENMIN = 300.000 eV
ICORE = 2 local potential
LCOR = T correct aug charges
LPAW = T paw PP
EAUG = 605.392
DEXC = 0.000
RMAX = 1.553 core radius for proj-oper
RAUG = 1.300 factor for augmentation sphere
RDEP = 1.550 radius for radial grids
RDEPT = 1.329 core radius for aug-charge
……（后面的数值部分太长省略不写了，感兴趣的可以自己打开一个 POTCAR 文件看一下）

其中关键字段的含义：

  • VRHFIN：该元素的价电子排布（如 O: s2p4 表示 O 的价电子构型为 2s²2p⁴）。
  • LEXCH：交换关联泛函类型，PE 表示该 POTCAR 对应的是 GGA-PBE 泛函（91 对应 PW91，CA 对应 LDA）。
  • TITEL：元素名称以及 POTCAR 的发布（生成）时间，如 PAW_PBE O 08Apr2002。
  • POMASS：原子质量。
  • ZVAL：该元素 POTCAR 中价电子的数目（如 O 为 6）。
  • ENMAX / ENMIN：该赝势推荐的最大/最小平面波截断能（eV），与 INCAR 中的 ENCUT 直接相关——ENCUT 一般取 ENMAX 的 1.2～1.5 倍，且不能小于 ENMAX。
  • RWIGS：Wigner-Seitz 半径，用于 Bader 电荷分析等后处理。
  • LPAW / LULTRA：标识该赝势为 PAW 还是超软赝势。

注意：POTCAR 中所有元素（以及元素的顺序）必须与 POSCAR 严格一致。

三、POTCAR 不同后缀的含义与选择 #

POTCAR 文件名中常见后缀的含义：

  • _GW：与 GW 计算对应的 POTCAR（专为 GW 计算优化的赝势，通常需要更高的截断能）。
  • _pv：v 是 valence（价）的缩写，pv 代表把内层的 p 电子也作为价电子来处理（适用于 3d/4d 过渡金属等体系，如 Ti_pv、Sc_pv）。
  • _sv：sv 代表把更内层的 s 电子也作为价电子来处理（适用于碱金属、碱土金属等，如 K_sv、Ca_sv）。
  • _d：把内层 d 轨道考虑到价电子层里面（如 Y_d、Zr_d，适用于含 d 电子的重元素）。
  • _h：hard（硬）的缩写，带 h 的 POTCAR 中截断能比普通的要高很多（如 H_h），精度更高但计算更慢。
  • _s：soft（软）的缩写，带 s 的 POTCAR 中截断能比普通的要低很多（如 H_s），计算更快但精度略低。

选择原则：

  1. 如果没有特别的需求，直接采用 VASP 官网推荐的赝势即可（Standard potentials → List of PBE potentials 中加粗的条目）。
  2. 对于过渡金属、稀土等强关联体系，若默认赝势的价电子数不足（如需要包含半芯态），应选用 _pv、_sv、_d 等包含更多价电子的赝势。
  3. GW 计算应使用 _GW 赝势（如果对应元素有该版本）。
  4. 同一计算中所有元素应使用同一套赝势（同属 PAW_PBE 系列），且注意 ENCUT 应取所有元素 ENMAX 中的最大值再乘 1.2～1.5 倍。
  5. 检查所选赝势的价电子数是否符合物理预期（如 O 为 6、H 为 1、Fe 为 8 或 14/16 取决于版本），可在 OUTCAR 中核对。

四、如何准备 POTCAR 文件 #

准备 POTCAR 前，首先要知道，POTCAR 文件中元素（包括元素的顺序）要和 POSCAR 中严格一致。例如，POSCAR 第 6 行是 C H O，那么我们就需要准备对应的 C、H、O 元素的 POTCAR，将这三个 POTCAR 文件组合成一个新的文件，命名为 POTCAR。

如果 POTCAR 和 POSCAR 中元素的数量不对应，运行 VASP 会直接报错；如果 POTCAR 和 POSCAR 中元素的顺序不对应（比如 POSCAR 是 C H O，但 POTCAR 准备成了 C O H），此时运行 VASP，实际上 VASP 是将结构里的 H 当作 O 来计算、O 当作 H 来计算的，也就是说，以 POTCAR 为准！

但是也不必过于担心，只要你每次计算都细心地去读 VASP 的输出，其实在计算刚开始的时候 VASP 就会提醒你 POTCAR 文件的错误：

WARNING: type information on POSCAR and POTCAR are incompatible
POTCAR overwrites the type information in POSCAR
typ 1 type information: H O
WARNING: type information on POSCAR and POTCAR are incompatible
POTCAR overwrites the type information in POSCAR
typ 2 type information: O H

方法一：利用 cat 命令生成 POTCAR 文件 #

（提前准备好所需的 POTCAR 文件或者知道 POTCAR 文件的绝对路径都可以）

如果在计算文件夹里提前准备好所需的 POTCAR 文件，并且重命名好了，比如 POTCAR-C、POTCAR-H、POTCAR-O，那么就可以：

cat POTCAR-C POTCAR-H POTCAR-O > POTCAR

如果知道 POTCAR 文件的绝对路径，假如都在 /home/user/POTCAR/PBE 路径下：

cat /home/user/POTCAR/PBE/C/POTCAR /home/user/POTCAR/PBE/H/POTCAR /home/user/POTCAR/PBE/O/POTCAR > POTCAR

方法二：利用工具直接生成 POTCAR #

这种方法一般都需要提前在所需工具的配置文件中写好 POTCAR 的路径。

  • 鸢算科技HPC集群：直接在有 POSCAR 的路径下使用 potcar 命令即可自动生成 PBE 的 POTCAR。
  • VASPKIT：配置好 ~/.vaspkit 中的 POTCAR 路径和类型后，使用 vaspkit – 回车 – 103 – 回车 即可生成 POTCAR。
  • 其他工具：pymatgen 的 PMgPotcarSingle、ASE 的 get_potcar 等也可按元素自动拼接生成 POTCAR。

验证 POTCAR 是否正确 #

生成后建议用以下方式验证：

  1. 检查文件行数：wc -l POTCAR，正常包含 N 个元素时会有 N 个 TITEL 行。
  2. 检查元素顺序：grep TITEL POTCAR，输出的元素顺序应与 POSCAR 第 6 行一致。
  3. 运行 VASP 后查看 OUTCAR 开头的 VRHFIN 列表，核对每个元素的价电子配置。

五、常见问题与注意事项 #

  1. 元素顺序必须与 POSCAR 一致：这是最常出错的点。VASP 以 POTCAR 为准覆盖 POSCAR 的类型信息，顺序不一致会导致元素张冠李戴（但通常有 WARNING 提示，注意查看输出）。
  2. 元素数量不一致：POTCAR 中元素种类数不等于 POSCAR 第 6 行元素数时会直接报错，无法运行。
  3. ENCUT 与 ENMAX：INCAR 中的 ENCUT 一般取所有元素 ENMAX 的最大值（再乘 1.2～1.5 倍，自己做收敛性测试），不要低于任何元素的 ENMAX。
  4. 泛函一致性：同一计算中所有元素的 POTCAR 必须使用同一泛函版本（如全部为 PAW_PBE），不能混用 LDA 与 GGA 赝势。
  5. 后缀选择：默认推荐使用官网加粗的赝势；特殊体系（过渡金属、碱金属、GW 计算）按需选择 _pv、_sv、_d、_GW 等版本。
  6. POTCAR 是文本文件：与 INCAR 一样注意不要用 Windows 记事本编辑（避免 CRLF 与编码问题），拼接用 Linux 的 cat 命令。
  7. 截断能测试：更换赝势（如从普通版本换为 _pv 版本）后，应重新做 ENCUT 收敛性测试。
  8. 磁矩核对：OUTCAR 中会输出每个元素的价电子数（NELECT），与 ZVAL 之和核对，可快速发现赝势拼接错误。
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