CP2K使用D4：输入、能量与力

本篇演示在CP2K输入中启用D4，以及从输出中确认“总能量已经包含D4”。主程序直接处理能量和力，适合继续构建色散修正的优化或分子动力学输入；本文实际运行的是固定结构单点，不把它当作已优化或收敛的结合能结果。

下载输入、真实参考结果与绘图脚本。解压后进入资料包所在目录，先画已有结果：

bash view.sh

图片和逐条件数值分别写入 analysis/figures、analysis/bookkeeping.csv。脚本使用集群的 ASE3.29.0、NumPy、Matplotlib 环境，画参考数据不提交计算。结果目录已存在时，指定一个新目录：

bash view.sh --output another-analysis

本组在鸢算科技集群实际计算了中性水、相同几何的带电水，以及氧原子间距2.9 Å、4.2 Å的两个水分子对。水分子对按同一朝向侧向摆放，属于固定结构的能量记账示例，没有做氢键构型优化。带电水总电荷为+1、多重度为2；其余为中性单重态。不同主程序使用不同基组与电子芯层处理，只比较各自开关D4的差，不能直接相减两种软件的绝对DFT能量。

1 准备并提交两个输入#

本例使用CP2K2026.2，GNU13.3、MPICH5.0.1、CUDA12.9、OpenBLAS0.3.33，链接libdftd4 4.2.0。水分子示例使用 cp2k/2026.2-p100，水分子对使用 cp2k/2026.2-v100。

python3 prepare.py cp2k
cd cases/cp2k-water-plain
sbatch job.slurm
cd ../cp2k-water-d4
sbatch job.slurm
squeue -u "$USER"

每个模板申请1张对应GPU、1个CPU核心，核时用户使用模板里的核时分区；套餐用户按账户规则选择分区。ORCA在这里走CPU程序路径，申请GPU资源不表示ORCA本例有GPU加速。CP2K采用对应GPU构建。不要在登录节点直接运行完整DFT计算。

准备与运行分开：prepare.py按所选软件建立输入目录，随后只提交所需的目录。若已有 cases，请重新解压到新目录，避免覆盖已有结果。只有选择VASP时需要您已有合法授权的O、H PAW势，它们不在下载包中；选择CP2K或ORCA不会读取VASP势文件。

2 完整CP2K输入#

下面是中性水的D4输入，坐标文件为 structure.xyz：

&GLOBAL
  PROJECT calculation
  RUN_TYPE ENERGY_FORCE
  PRINT_LEVEL MEDIUM
&END GLOBAL
&FORCE_EVAL
  METHOD Quickstep
  &DFT
    BASIS_SET_FILE_NAME BASIS_MOLOPT
    POTENTIAL_FILE_NAME GTH_POTENTIALS
    CHARGE 0
    UKS FALSE
    MULTIPLICITY 1
    &MGRID
      CUTOFF 300
      REL_CUTOFF 40
    &END MGRID
    &QS
      EPS_DEFAULT 1.0E-12
    &END QS
    &POISSON
      PERIODIC NONE
      PSOLVER MT
    &END POISSON
    &SCF
      SCF_GUESS ATOMIC
      EPS_SCF 1.0E-8
      MAX_SCF 150
      &OT
        MINIMIZER DIIS
        PRECONDITIONER FULL_SINGLE_INVERSE
        ENERGY_GAP .001
      &END OT
    &END SCF
    &XC
      &XC_FUNCTIONAL PBE
      &END XC_FUNCTIONAL
      &VDW_POTENTIAL
        POTENTIAL_TYPE PAIR_POTENTIAL
        &PAIR_POTENTIAL
          TYPE DFTD4
          REFERENCE_FUNCTIONAL PBE
        &END PAIR_POTENTIAL
      &END VDW_POTENTIAL
    &END XC
  &END DFT
  &SUBSYS
    &CELL
      ABC 24 24 24
      PERIODIC NONE
    &END CELL
    &TOPOLOGY
      COORD_FILE_NAME structure.xyz
      COORD_FILE_FORMAT XYZ
    &END TOPOLOGY
    &KIND O
      ELEMENT O
      BASIS_SET DZVP-MOLOPT-SR-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE-q6
    &END KIND
    &KIND H
      ELEMENT H
      BASIS_SET DZVP-MOLOPT-SR-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE-q1
    &END KIND
  &END SUBSYS
  &PRINT
    &FORCES ON
    &END FORCES
  &END PRINT
&END FORCE_EVAL

3
fixed geometry;translated to24A cell center;charge=0
O        12.00000000       12.00000000       12.39753933
H        12.00000000       12.76323900       11.80123033
H        12.00000000       11.23676100       11.80123033

关闭D4的对照只去掉整个 &VDW_POTENTIAL 段，泛函、基组、晶胞、网格、坐标和SCF设置保持一致。REFERENCE_FUNCTIONAL PBE为D4选择PBE的阻尼参数，不会替您把主DFT泛函改成PBE。

CHARGE是体系总电荷；MULTIPLICITY为2S+1。带电水使用 CHARGE 1、UKS TRUE、MULTIPLICITY 2。下载包该模型采用更稳健的 MINIMIZER CG、LINESEARCH 3PNT、PRECONDITIONER FULL_ALL，并在氧的 &KIND O中设置 MAGNETIZATION 1作为初始自旋猜测。初始磁化不是对最终原子磁矩的约束。两种D4开关使用相同求解设置。带电水先完成plain项，再用其已收敛波函数启动D4项；D4输入使用 SCF_GUESS RESTART，配套D4作业脚本会复制同几何、同电荷、同自旋plain目录的波函数。

cd cases/cp2k-water-cation-plain
sbatch job.slurm
# 确认上一个任务正常结束并且电子收敛后，再提交下一项
cd ../cp2k-water-cation-d4
sbatch job.slurm

波函数由您自己的plain计算生成，不在公开包中。首次独立运行D4项之前必须先算好相应plain项。

3 检查结束、电子收敛与D4项#

grep 'SCF run converged' cp2k.out
grep 'PROGRAM ENDED AT' cp2k.out
grep 'Dispersion energy:' cp2k.out
grep 'Total FORCE_EVAL' cp2k.out
grep -A 7 'FORCES| Atomic' cp2k.out

色散能和总能量的单位均为Hartree；本版本原子力表以 FORCES|开头，单位为Hartree/Bohr。不能只看队列任务是否结束，应检查电子收敛行和正常结束行。

中性水实际得到的D4色散能约为 −0.000196920342 Hartree。相同几何的独立D4程序给出 −0.000196920341437 Hartree，两种读取方式相符。水分子对2.9 Å、4.2 Å的色散项分别约为 −0.001018327861、−0.000563063224 Hartree。

4 用独立工具检查，避免加两遍#

回到资料包根目录执行：

python3 d4.py
bash view.sh --cases cases --d4 d4-results --output my-analysis --partial

第二条命令要求已完成的同一模型同时有plain和d4两项。只完成一对时，可把该对目录复制到一个新目录，作为 --cases 的输入。分析脚本比较 E(开启D4)−E(关闭D4)与独立色散能，同时比较两次主程序原子力之差与独立D4梯度的负值。没有主程序结果时，直接用第一节的 bash view.sh查看整组参考数据。

开启D4后的CP2K总能量已经包含该修正，不能再加一次独立D4能量。 本组比较的是D4修正项的传递与提取。300 Ry网格和当前基组未作为总DFT力的收敛结论，不能将参考总力直接用于高精度优化；正式工作应单独检查基组、网格、晶胞及力收敛。固定小体系结果也不代表材料结合能的准确度。

参考：CP2K官方项目、CP2K轨道求解参数、DFT-D4官方实现。