VASP 光学谱：从介电函数到吸收与反射
以硅的实算说明LOPTICS计算顺序，以及介电函数、折射率、吸收、反射和损失函数的转换。
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做光学计算时，先明确要的是电子带隙、光学吸收还是激子。最容易入门的是独立粒子近似下的频率相关介电函数：VASP计算ε₁、ε₂，再转换为折射率、消光系数、吸收系数和反射率。本篇用硅演示完整操作。
1. 先做什么，再做什么#
- 优化材料结构。本例沿用硅结构优化得到的8原子晶胞。
- 在均匀k网格上做静态计算，不能把高对称路径KPOINTS拿来积分光学谱。
- 增加空带，打开
LOPTICS，设置谱线展宽和输出网格。 - 提交并检查电子收敛；从vasprun.xml或OUTCAR读取实、虚介电函数。
- 先画ε₁和ε₂，确认能量范围，再换算其他光学量。
- 若需要可信峰位和强度，再检查k点、空带数、截断和展宽；涉及激子时进一步使用GW/BSE等合适方法。
准备好POTCAR后，在下载包的 si-optics 目录执行 sbatch run.sh。
2. 本例的关键设置#
ENCUT = 550
EDIFF = 1E-6
IBRION = -1
NSW = 0
ISMEAR = 0
SIGMA = 0.01
NBANDS = 64
LOPTICS = .TRUE.
NEDOS = 2001
CSHIFT = 0.1
使用PBE、9×9×9 Gamma均匀网格。NBANDS=64是本例的设置，不是所有材料的固定推荐值；光学跃迁需要足够空带覆盖目标光子能量。CSHIFT控制洛伦兹展宽，SIGMA也会引入展宽，因此这里让SIGMA比CSHIFT小。
本例采用VASP 6.6.1的NVHPC 25.3/CUDA 12.8构建。具体版本与资源选择见版本与扩展。
3. 实际介电函数与光学量#
| 光子能量/eV | ε₁ | ε₂ | n | R |
|---|---|---|---|---|
| 0.996 | 14.568 | 0.218 | 3.817 | 0.342 |
| 1.992 | 19.207 | 0.928 | 4.384 | 0.395 |
| 3.007 | 26.752 | 17.241 | 5.412 | 0.504 |
| 4.002 | -3.178 | 38.500 | 4.210 | 0.650 |
| 5.994 | -6.909 | 5.842 | 1.034 | 0.659 |
| 8.005 | -3.550 | 1.818 | 0.468 | 0.684 |
从vasprun.xml读取标记为 density-density 的介电函数；文件中其他响应表达式不要按“最后一段”盲目替换。
硅是立方晶体，本例取xx、yy、zz平均展示；各向异性晶体应分别画主轴分量，不能一开始就平均掉方向差异。
ε₂反映当前近似下的吸收跃迁强度，ε₁影响传播与屏蔽。图中的低能尾部还受数值展宽影响，不能把“第一个非零点”直接当精确带隙。硅是间接带隙材料，本例的普通光学路线不包含声子辅助间接跃迁，因此也不能将它当作完整的实验吸收边。
4. 怎么从ε换算成其他图#
令复折射率为n+iκ，复介电函数为ε₁+iε₂。在非磁性、各向同性近似下：
$$n=\sqrt{\frac{|\epsilon|+\epsilon_1}{2}},\qquad\kappa=\sqrt{\frac{|\epsilon|-\epsilon_1}{2}}.$$
| 输出 | 换算关系 | 注意单位与含义 |
|---|---|---|
| 吸收系数α | 2ωκ/c | 图中用cm⁻¹；ω是角频率，不直接把光子能量eV代进去 |
| 正入射反射率R | [(n−1)²+κ²]/[(n+1)²+κ²] | 真空入射、均匀半无限介质近似，不是多层薄膜干涉模型 |
| 损失函数 | Im[−1/ε]=ε₂/(ε₁²+ε₂²) | 当前长波极限价电子响应，不等于任意实验几何的完整EELS |
| 实部光学电导σ₁ | ε₀ωε₂ | SI单位S/m；金属还需考虑适用的带内/Drude贡献 |
这些曲线来自同一份介电数据，并非分别执行了五种独立计算。下载脚本保留能量—角频率和长度单位换算，方便替换自己的材料。
5. 普通LOPTICS没有自动包含什么#
- PBE带隙误差不会因为打开LOPTICS而消失。
- 激子是电子—空穴相互作用问题，不能把一个吸收峰直接命名为已计算的激子束缚能。
- 这一近似不包含微观局域场响应的全部修正。
- 普通线性介电函数不能直接给出二次谐波、强场高次谐波或磁光Kerr谱。
- 二维材料的超胞介电常数依赖真空厚度；应使用适当二维极化率或光学面响应定义。
下载输入、实算数据与图片（ZIP） · 下载44项结果表（CSV）。公开包不含POTCAR和WAVECAR。
官方说明：LOPTICS与谱线展宽、BSE计算。