ABACUS空位形成能与原子优化

下载完整输入、实际结果、赝势与五张高清图。解压后在已分配P100资源中执行 bash run.sh，也可用 sbatch submit.slurm提交一张GPU。新结果在 work/cases，表格在 work/analysis，结构在 work/converted，图片在 work/figures。

1 先准备两个可以比较的结构#

中性空位形成能需要完整晶胞和移走一个原子的缺陷晶胞。这里用8个原子的Si金刚石常规胞演示，删除一个Si后剩7个原子。为了使优化能够离开高对称位置，给缺陷结构少量初始扰动。

这是浓度很高的小晶胞，空位周期镜像相距很近，不是稀缺陷极限。它适合先学完整操作；实际材料结果应继续增加超胞，检查k点、截断能、缺陷磁态和必要的带电校正。

本篇使用ABACUS3.10.1 P100构建：GNU13.3、HPC-X2.50、CUDA12.8、OpenBLAS0.3.30；每个任务1MPI×1线程×1GPU。本批在两台P100上分配独立小任务，没有把多卡速度当作小体系性能结论。

2 完整参考输入#

module load abacus/3.10.1-p100
cat inputs/si8-bulk-smear/INPUT
cat inputs/si8-bulk-smear/STRU
cat inputs/si8-bulk-smear/KPT

INPUT_PARAMETERS
suffix tutorial
calculation scf
basis_type pw
ecutwfc 50
scf_thr 1e-8
scf_nmax 150
ks_solver cg
device gpu
precision double
cal_force 1
cal_stress 1
pseudo_dir ../PP
symmetry 0
smearing_method gauss
smearing_sigma 0.01
mixing_beta 0.3

ATOMIC_SPECIES
Si 28.0855 Si_ONCV_PBE-1.0.upf

LATTICE_CONSTANT
1.8897261246257702

LATTICE_VECTORS
5.430000000000 0.000000000000 0.000000000000
0.000000000000 5.430000000000 0.000000000000
0.000000000000 0.000000000000 5.430000000000

ATOMIC_POSITIONS
Direct
Si
0.0
8
0.000000000000 0.000000000000 0.000000000000 1 1 1
0.250000000000 0.250000000000 0.250000000000 1 1 1
0.000000000000 0.500000000000 0.500000000000 1 1 1
0.250000000000 0.750000000000 0.750000000000 1 1 1
0.500000000000 0.000000000000 0.500000000000 1 1 1
0.750000000000 0.250000000000 0.750000000000 1 1 1
0.500000000000 0.500000000000 0.000000000000 1 1 1
0.750000000000 0.750000000000 0.250000000000 1 1 1

K_POINTS
0
Gamma
2 2 2 0 0 0

pseudo_dir ../PP指示从当前计算目录的上一级找到赝势目录。附件已经安排好路径，手动复制文件时也要保留这个相对关系。SG15/ONCV PBE赝势保留原始版权与许可头部，来源在 PP-SOURCES.json。

scf_thr控制电子密度自洽残差，与VASP的EDIFF含义不同；不能把1E−8直接读成能量精度1E−8eV。

3 空位单点与位置优化分别怎么做#

cat inputs/si7-vacancy-smear/STRU
cat inputs/si7-relax-smear/INPUT
cat inputs/si7-relax-smear/STRU
sbatch submit.slurm

空位理想位置的单点用 calculation scf；扰动后的缺陷用以下完整INPUT优化原子，晶胞保持固定：

INPUT_PARAMETERS
suffix tutorial
calculation relax
basis_type pw
ecutwfc 50
scf_thr 1e-8
scf_nmax 150
ks_solver cg
device gpu
precision double
cal_force 1
cal_stress 1
pseudo_dir ../PP
symmetry 0
smearing_method gauss
smearing_sigma 0.01
mixing_beta 0.3
relax_nmax 80
force_thr_ev 0.02
relax_method cg
out_stru 1

ATOMIC_SPECIES
Si 28.0855 Si_ONCV_PBE-1.0.upf

LATTICE_CONSTANT
1.8897261246257702

LATTICE_VECTORS
5.430000000000 0.000000000000 0.000000000000
0.000000000000 5.430000000000 0.000000000000
0.000000000000 0.000000000000 5.430000000000

ATOMIC_POSITIONS
Direct
Si
0.0
7
0.264732965009 0.242633517495 0.253683241252 1 1 1
0.000000000000 0.500000000000 0.500000000000 1 1 1
0.242633517495 0.761049723757 0.746316758748 1 1 1
0.500000000000 0.000000000000 0.500000000000 1 1 1
0.750000000000 0.250000000000 0.750000000000 1 1 1
0.500000000000 0.500000000000 0.000000000000 1 1 1
0.750000000000 0.750000000000 0.250000000000 1 1 1

本例固定5.43Å常规胞，50Ry、2×2×2网格，目标最大力分量0.02eV/Å。STRU中每个原子后的 1 1 1表示允许三个方向移动；若固定某原子，将相应分量改为0。

缺陷态可能靠近费米能，参考和缺陷都使用相同 smearing_method gauss、smearing_sigma 0.01。不要给缺陷开较大展宽、完整晶胞却用不同设置后直接比较。

4 检查电子与几何是否分别收敛#

grep 'charge density convergence is achieved' work/cases/si7-relax-smear/OUT.tutorial/running_relax.log
grep 'Relaxation is converged' work/cases/si7-relax-smear/OUT.tutorial/running_relax.log
grep 'Largest gradient in force' work/cases/si7-relax-smear/OUT.tutorial/running_relax.log
grep 'FINAL_ETOT' work/cases/si7-relax-smear/OUT.tutorial/running_relax.log

应检查每个离子步使用的SCF结果，而不是只看最后出现一个总能量。本例最终最大力分量0.018874eV/Å，达到0.02的设置。

5 计算形成能并看实际结果#

μSi = E(Si8)/8
Ef(vacancy) = E(Si7) − 7μSi

优化曲线从带少量扰动的初始结构开始，表中未优化值对应理想空位结构，两者不是同一个起点。最终值相对理想空位低约0.016536eV。

这些数值来自相同Gaussian展宽下的最终总能量。展宽含电子熵贡献，不能直接把它当成已经外推到零温、稀缺陷的形成能；生产计算要缩小展宽并做尺寸和采样收敛。

6 提取数据与打开优化后结构#

module load ase/3.29.0
python -B work/analyze.py
python -B work/convert_structures.py
python -B work/plot_results.py
ase convert work/cases/si7-relax-smear/OUT.tutorial/STRU_NOW.cif si7-final.extxyz

STRU.cif是输入结构，STRU_NOW.cif对应最终输出结构，不要把初始文件误当优化结果。EXTXYZ可交给ASE、OVITO等工具查看；图和CSV来自实际坐标与日志。