Ex01 VASP基本输入文件的准备（壹）
基本的输入文件，指的是VASP计算必不可少的输入文件，对新手来说先记住这四个文件的名字：INCAR，KPOINTS，POSCAR，POTCAR。具体是干嘛用的？不懂的话不要紧，后面我们会结合例子，慢慢介绍这几个文件的准备工作。
基本概念
准备输入文件， 脑子里要有下面几个概念:
Rubbish in，Rubbish out! 程序只负责算，对错由你决定！错误主要有3类：
- 模型错误：也就是建模这一块出错了，主要对应的是POSCAR；
- 计算参数：INCAR，KPOINTS，POTCAR
- 提交任务的脚本或者命令出错。
遇到不懂的参数： (思考 + 看官网)！ (思考 + 看官网)！ (思考 + 看官网)！
- 重要的话说三遍，尽量不要去看网上那些乱七八糟的教程。如果英语不好，那么这是一个锻炼你阅读能力的好机会。通过查阅官网解决问题，可以保证你的血统纯正，进而提高你的杀伤力。
- 所有的输入文件都只是文本而已。这句话的意思是：所有的输入文件都可以通过文本编辑器打开，比如：
- Linux下面可以用Vim
- Windows下用Notepad++
- 杜绝使用Windows自带的文本编辑器：记事本，写字板。
- 所有的输入文本没有尾缀，Windows用户可能习惯了带各种各样尾缀的文件，但是vasp里面的输入文件，没有尾缀且都是文本。 比如你使用Notepad++这个文本编辑器写了一个输入文件，直接并保存成 INCAR就可以了。如果不小心保存成了 INCAR.txt，那么直接将尾缀.txt删除即可。
- 再次强调:对于Windows用户，本书中指的文本编辑器是:Notepad++。免费的软件，大家自己下载并安装。 请不要用写字板，记事本等编辑VASP的输入文件。如果你不听话，还是喜欢用它们，那么:
- 出错，自己负责，有时候你会死的很惨，折腾很久可能都找不到哪里出错了；
- 出错，自己检查有没有在提交任务前运行：dos2linux 这个命令转换下格式
- 一步一步按照本书的练习进行操作，有问题，先记下来，如果后面没有得到解答，去《序言》找联系方式咨询大师兄。
VASP输入和输出文件
有了上面的概念，我们就可以准备输入文件了。下面是官网列出VASP的输入和输出文件，in 代表输入，out代表输出。先声明一下：大家不要被下面这么多文件吓傻了，脑子里有个印象就行，很多文件可能穷奇你一生的计算都用不到，而且你以后会花很多时间在删这些乱七八糟的文件上面。对于新手的话，大家先简单过目一下即可。可以理解为，从未开过车的你，一下子钻到车里，首先要做的就是熟悉车内部的环境，具体什么功能、怎么回事，后面慢慢摸索。
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21INCAR in **
STOPCAR in
stout out
POTCAR in **
KPOINTS in **
IBZKPT out
POSCAR in **
CONTCAR out
CHGCAR in/out
CHG out
WAVECAR in/out
TMPCAR in/out
EIGENVAL out
DOSCAR out
PROCAR out
OSZICAR out
PCDAT out
XDATCAR out
LOCPOT out
ELFCAR out
PROOUT out对于VASP计算来说，前面这一大堆中的 INCAR ， KPOINTS， POSCAR 和POTCAR 是必不可少的输入文件，必须有!
- INCAR 告诉VASP算什么，怎么算。
- KPOINTS 包含计算的K点信息（K点是什么，这个问题很抽象，脑子里先记住，计算的时候必须有这个东西）。
- POSCAR是计算模型结构的文字描述，也就是各个原子在xyz方向的坐标信息。
- POTCAR对应的是计算过程中每个原子的平面波基组，描述体系中对应的原子核和电子的相关信息。
- 提交任务的脚本或者命令，需要你自己准备，没有在列表里面。
注意
最新版的VASP中可以在INCAR中设置KPOINTS。但在涉及到计算能带的特殊K点时候，INCAR中就不可以直接设置了。所以，在本书中，KPOINTS是认为必须有的。请不要再纠结这个问题，也不要专门找我争论这个问题。如果你认为可以没有，那就是可以没有。至少本书中，我们会介绍KPOINTS文件的准备工作。
这一节，我们主要通过VASP官网中O原子的计算实例，来学习INCAR的文件准备工作。记住前面我们说的话，INCAR是纯文本。Windows用户，不要用记事本或者写字板打开。推荐使用Notepad++。
简单说明
INCAR主要是告诉VASP我们要算什么以及计算的细节，INCAR准备的原则是：越简单越好，不知道的，不理解的就不往里面放。 下面是给新手们的一些建议：
INCAR 中有很多参数，改变参数来控制计算细节，从而得到我们期望的结果。所以，记住：Rubbish in， Rubbish out。自己算什么，心里要有数。
网上很多人发INCAR的教程，列了一堆参数进去，甚至长达两页，有些连默认值也放在里面了，恨不得把所有参数全部放进去。不过，请记住：那些令人眼花缭乱的只是唬人装逼用的，在实际计算中会严重拖你的后腿，占了那么多行，修改起来也费劲。
熟知各个参数的数值意义，以及在不同计算任务中的设置至关重要。
有人会说，那么多参数，怎么能记得过来？ 放心，完全可以的。
一方面，对于特定的体系，所需要的参数不同。如果你的课题比较稳定，那么你应该不会接触太多的参数。比如你专注于体系的能带结构，那么算过渡态的参数你就不会需要。
另一方面，这些计算参数又不是一天两天能记住的，是一个长期积累的过程。随着时间的增长和个人经验的增加，自然而然地就记住了。
INCAR 的输入工作
打开编辑器，把下面几行挨个输入进去: （#以及后面的就不要输入了）
1 | SYSTEM = O atom # 氧元素符号，不是零! |
INCAR的注意事项：
- #后面写的是汉语，是给大家展示用的。 大家在写INCAR的时候，最好不要把汉语写进去，有可能会出错！
#号后面的内容对计算不会造成影响，主要作为注释用，解释这个参数干嘛用的，可以不用输入；
每个参数后面跟着等号 = ，
等号（=）前后可以有空格，也可以没有。
ISMEAR=0和ISMEAR = 0是一样的，写INCAR的时候，不要使用 tab，用空格替换tab；
官网有些旧的文件可能用的不是 # 号，而是 !， ! 可能会出错。最好的办法就是记住参数是干嘛用的，# 和 ！ 都不写。
INCAR的详解
SYSTEM
SYSTEM 后面是该计算的说明。你的这个任务算的是什么，目的是什么，体系是什么？等等，这些都可以随便写在里面，随便的意思就是可以任意写。
- SYSTEM = O atom 和 SYSTEM = I LOVE BigBro 和 SYSTEM = VASP， 除了多出几个字符外，对计算没有什么影响。
- 情诗，骂人的话也可以写在 = 后面。但不建议大家在这一行里写一堆乱七八糟的东西，另外还是得避免把中文写在这里；
- 当然，这一行有或者没有，对计算结果不会有任何影响，看着不爽也可以直接删除。
ISMEAR
ISMEAR这一项，目前需要记住的是：
- 1）不同的值对应的是不同的展宽方法；
- 2）对于分子，原子的计算用0。
下面是VASP官网的一些解释，新手暂时看不懂不要紧，把需要记住的这两条死死记住就可以了。
- 对于半导体和绝缘体体系，ISMEAR的值取绝对不能大于0， 一般用0；
- 对所有体系，如果想获取更加精确能量的时候用-5，但这时候如果K点数目小于3，程序则会罢工；
- K 点少，半导体或者绝缘体，那么只能用 ISMEAR = 0；
- 在DOS能带计算中，使用ISMEAR= -5 用于获取精确的信息。
- 对于金属来说，ISMEAR的取值一般为>=0 的数值（0,1,2）；
- 保守地说，ISMEAR = 0 (Gaussian Smearing) 可以满足大部分的体系（金属，导体，半导体，分子）；
- 如果不知道怎么取ISMEAR，直接用0是一个很保险的做法。也可以测试不同的值对计算的影响，但是新手的话，即使测试完了，也不知道根据什么去判断对结果的影响。
SIGMA:
SIGMA的取值和ISMEAR息息相关，也就是和ISMEAR这个参数同时出现，设定。下面是一些基本的介绍：
如果用了ISMEAR = -5； SIGMA的值可以忽略，也可以不管。（对于所有体系都适用)；
对于金属： ISMEAR = 1 或者0，非金属: ISMEAR= 0 的时候，一般取 SIGMA = 0.10 即可，默认值是0.20。不放心的话，用0.05。
对于气体分子，原子体系（也就是你把分子或者原子放到一个box里面）：死死记住下面组合就可以了， ISMEAR = 0; SIGMA = 0.01。
不过很多人都不放心，为了保险想测试一番。标准是： SIGMA的取值要保证OUTCAR 中的 entropy T*S 这一项，平均到每个原子上，要小于 1-2 meV。检查的时候可以用这个命令:
1 | grep 'entropy T' OUTCAR |
注意1：这里有两个单引号，不要输入的时候漏掉。
用这个命令，得出的能量除以体系中原子的数目（也就是平均到每个原子上），然后再和 0.001 eV 比较。如果小于，SIGMA取值OK，如果大于，再换个小点的数值进行测试。
注意2：这里的说的entropy，是因为ISMEAR展宽这个计算方法引入的，跟我们物理化学书里面的entropy完全是两码事。后面我们会介绍如何通过频率分析计算物理化学里面的Entropy。千万别把这个数值当成频率所对应的entropy。
INCAR的保存
输入完上面的几行，我们就可以保存INCAR文件了。这里需要注意的是：INCAR后面没有尾缀，所以：INCAR.txt是错误的。为避免这个问题：
Notepad++ 保存的时候，文件名为: INCAR，保存类型选择 Alltypes (.)。
用Vim的筒子们直接将前面的内容保存成INCAR即可。
将INCAR.txt 通过
mv命令重命名为INCAR。1
mv INCAR.txt INCAR -f
前面说了很多，对新手，可能会犯晕。不过不用担心，只要记住关键三点，我们就圆满完成本节的任务：
INCAR是纯文本没有尾缀;
算原子或者分子时：ISMEAR = 0， SIGMA = 0.01
Windows用户请使用Notepad++作为文本编辑器，不要使用自带的记事本或者写字板，如果使用了，计算前务必要通过
dos2unix转换一下格式：1
dos2unix INCAR
上一节，我们学习了INCAR的简单准备工作。这一节，我们学习另外一个输入文件的写法：KPOINTS
简单说明
KPOINTS文件在计算中的作用，一方面决定了计算的精度，同时也影响计算所需要的时间。精度高，时间长，精度低，时间短。所以：合理设置KPOINTS文件，可以保证我们使用最少的时间，来获取准确可靠的结果。
KPOINTS的输入和保存
打开编辑器，把下面几行输入进去:
1 | K-POINTS # 第一行随便写都行，但不能没有 |
详解:
该KPOINTS 文件里面，共有5行，#号以及后面的不用输入；
同INCAR的注释一样，不要在每一行后面使用 ! 来进行注释，要使用 #，且最好不要写中文。
第一行：可以随便写内容，但不能没有;
第二行：数字0，不是字母O，0 在这里表示的是自动生成K点。你可能注意到了，0前面有个空格，不过没关系，对计算不影响，可以删掉，也可以再加一个空格，后面的同样如此。 但是避免用tab输入，VASP有时候不识别tab键输入的空白部分，导致计算出错；
第三行：VASP只认第一个字母，大小写均可。在这里Gamma和gamma，Gorge，gorge效果是一样的，当然这一行也可以直接写字母G或者g。
- G表示的是以gamma点为中心生成网格。
- 另外一种是原始的Monkhorst-Pack 网格，两者的区别是 M 或者 m 在 G的基础上在三个方向上平移了1/（2N）个单位。
- G，也叫 gamma centered Monkhorst-Pack Grid；所以，gamma centered 只是MP网格的一种特殊情况。
第四行，在xyz三个方向上生成对应数目的K点，本例是111;
- 对于原子或者分子的计算，K点取一个gamma点就够了（1 1 1），也就是这个KPOINTS文件可以用于绝大多数的原子或者分子计算，不用再修改；
- 但如果你要用ISMEAR = -5 来计算能量，那么就需要把 1 1 1 改成 2 2 2或者3 3 3。
第五行，一般都写成 0 0 0 ，不用动即可；
按照前面INCAR的方式保存文件，名字为KPOINTS。
KPOINTS的建议
K点在VASP计算中非常重要，大师兄给的一个建议是：
一直用gamma centered，也就是第三行保持G不变。因为M平移之后，网格的对称性和晶胞的对称性会出现不匹配的情况，从而导致计算出错，尤其是对于六角晶系hexagonal的结构，必须用gamma centered!这一点，vasp官网说的很明确；其他的建议后续慢慢展开讨论。
如非六角晶系的计算，如果已经设置的M算起来了，继续用M算就行，没必要改成G再重新算一遍；
- 前面看不懂，没事。记住这一点，本节就圆满完成任务：气体分子，原子计算的时候，使用gamma点即可。
这一节，我们学习VASP计算中模型的文件：POSCAR
简单说明
POSCAR 里面包含了你要进行计算的模型结构信息。也就是你要研究的对象。POSCAR有自己固定的格式，每一行都有特定的含义，认真掌握这些，对于搭建模型非常有帮助。对于本节的例子：O原子的计算中，我们要把O原子放到一个格子里面，格子大小为：8 $\times$ 8 $\times$ 8 $\AA{^3}$。那么POSCAR应该这样写。
POSCAR的输入
1 | O atom in a box |
详解：
第一行：同样随便写，但不能不写；
第二行：Scale factor，称为缩放系数，这里是1.0；
第三到五行：是组成格子的三条边的坐标信息；从原点出发，在xyz轴上分别取8$\AA$。这个很容易理解；
第六行：体系中的元素，这里我们算的是氧原子，所以写：O，即氧的元素符号。需要注意的有以下几点：
- vasp4.xx版本里面没有这一行，不过现在几乎没人用4.X的版本了；
- O的符号和数字0容易混淆，一定要注意；
- 第一个元素符号要顶格写，前面不要有空格，有可能会出错；
- 如果计算文件夹里面，已经有与结构相一致的POTCAR，那么POSCAR里面即使删了这一行有不会影响计算，VASP会读取POTCAR中的元素信息，但输出文件CONTCAR中会把该行自动加上。（新手跳过）
第七行：与第六行中元素相对应的原子数目，这里我们只有1个氧原子，所以写成1；
第八行：体系中原子的坐标系，可以为笛卡尔坐标，也可以为分数坐标系。注意的有以下几点：
- 这一行同KPOINTS的第三行一样，即只认第一个字母；
- C或者c代表笛卡尔坐标， D或者d代表分数坐标系；
- VASP输出文件CONTCAR里面采用的是分数坐标系。
第九行：体系中原子的坐标信息。这里我们把O原子放到了原点（0.0 0.0 0.0）的位置，大家也可以随便放一个位置，比如：（4.0 5.0 6.0），（1.1 2.5 6.5）都是可以的。由于周期性的存在，不管你怎么放，相邻两个格子之间氧原子的距离都是一样的。
- 写完之后，和INCAR，KPOINTS文件一样，直接保存成POSCAR即可。
两点说明
第二行中的Scale factor还可以写成其他的数字，例如：写成2.0，则后面的格子以及原子坐标相关的数值都要除以2。一般来说，写成1.0即可，这样比较直观，清晰;
笛卡尔和分数坐标系的区别是从原子的坐标行开始的（这个例子里面是第8行），即坐标前面的都保持完全一致。 也就是说，如果想从笛卡尔转换成分数坐标，我们只需将Cartesian改成Direct，然后修改后面的原子坐标，而Cartesian行前面的部分保持不变。
本节重点：
- 学会写O原子在格子里面这个模型的POSCAR；
- 知道每一行所代表的含义。
这一节，我们学习VASP计算中的赝势文件：POTCAR
简单说明
如果组里安装了VASP，则在某个目录下，一定会有对应的一套对应的赝势文件，本书默认大家已经知道去哪里找，不讨论从哪里下载POTCAR（小窍门：一般各个VASP相关的QQ群中，都会有打包的POTCAR文件）。在该目录下， 一般来说，会有LDA，PBE，和PW91这三个文件夹，主流的计算一般都是用PBE。当你进入PBE的文件夹后，就会找到各个元素所对应的POTCAR文件了。
POTCAR中各项的含义
POTCAR中有很多信息，对于大部分的参数，本人也是只认识字母，不知具体含义，所以只能介绍一下在实际计算中会用到的一些参数。我们用Fe的POTCAR中前面的几行作为一个例子，简单介绍一下。
1 | PAW_PBE Fe 06Sep2000 |
依个人的学习经验，VRHFIN， LEXCH，TITEL，ZVAL，ENMAX是用到最多的几个参数。
- VRHFIN 用来看元素的价电子排布，如果你元素周期表倒背如流，可以忽略这个参数；
- LEXCH 表示这个POTCAR对应的是GGA-PBE泛函；如果INCAR中不设定泛函，则默认通过这个参数来设定。
- TITEL 就不用说了，指的是哪个元素，以及POTCAR发布的时间；
- ZVAL 指的是实际上POTCAR中价电子的数目，尤其是做Bader电荷分析的时候，极其重要。
- ENMAX 代表默认的截断能。与INCAR中的ENCUT这个参数相关。
当然，如果你进入文件夹，使用ls命令后，会发现：即使对于同一个元素来说，也可能会有很多不同的情况。比如：
- 与GW 计算的对应的POTCAR，则标注为：Fe_GW 这样。（GW计算本人没接触过，这里就没有办法继续下去了）；
- 根据价电子的处理方式，分成了诸如：Fe，Fe_pv，Fe_sv的这样的情况。v是valence的缩写。pv代表把内层的p电子作为价电子来处理。sv代表则是把更内层的s电子也作为价电子来处理。具体到自己体系中的元素，可以结合元素周期表，以及ZVAL关键词所对应的价电子数目，来进行推断。
- 此时，我们就需要学习一个非常有用的Linux命令了： grep。 下面是我们使用grep命令，来获取所有与Fe相关POTCAR的价电子信息。
1 | $ ls Fe* |
- 还有把内层d轨道考虑到价电子层里面去的，比如：Ge_d。
- 某些元素，还有一些以 _h， _s 结尾的，应该是 hard和soft的缩写。带h的POTCAR中截断能比普通的要高出很多。带s的截断能要小很多。这里我们就可以通过grep 结合 ENMAX来查看一下：
1 | $ grep ENMAX Ge*/POTCAR |
POTCAR的选择
既然对于同一个元素，存在那么多的POTCAR类型，计算的时候我们改怎么选择呢？这里大师兄只能给的建议是：如果没有特别的需求，直接采用VASP官网推荐的即可。参考链接：
我们在计算的时候，根据体系中的元素，将这些元素的POTCAR结合起来，组成一个新的POTCAR，这个结合的步骤，我们需要用到Linux的另一个命令：cat。比如VASP官网的例子，体系中含有Al， C，H三种元素。
1 | cat ~/pot/Al/POTCAR ~/pot/C/POTCAR ~/pot/H/POTCAR >POTCAR |
通过这一行命令就可以把Al，C，H各自的POTCAR结合在一起。OUTCAR中的元素顺序一定要和POSCAR保持一致,否则计算会出错，为了避免计算出错，还有一些高级的方法，这个在后面会慢慢讲解。
本节讲的是O原子的计算，官网推荐的氧原子POTCAR，默认的截断能是400，价层有6个原子。直接把O这个文件夹中的POTCAR直接复制到INCAR所在的目录即可。
POTCAR检查常用的Linux命令：
查看POTCAR中的元素:
1 | grep TIT POTCAR |
查看POTCAR的截断能:
1 | grep ENMAX POTCAR |
查看POTCAR中元素的价电子数目：
1 | grep ZVAL POTCAR |
举一反三，只要找到了关键词，我们就可以通过grep命令来进行查看。
总结：
这一节，我们简单介绍了一下POTCAR中的内容，选取规则，以及通过grep命令和关键词进行查看。如果你能独立完成下面的几点，就圆满完成了本节的学习：
- VRHFIN， LEXCH，TITEL，ZVAL，ENMAX 这几个参数的大体意思；
- 初步了解：Fe_sv，Fe_pv， Ge_d, Ge_gw，C_s, C_h 这些标记的含义；
- 查看VASP官网，了解VASP推荐的POTCAR；
- 使用grep来获取POTCAR中有价值的信息。
通过本节（Ex01）的学习，大家初步了解VASP四个主要输入文件的是怎么制作的，一些简单参数的含义，以及每个文件所对应的格式和细节。本节我们分成了很多小节，每节内容都很多，但对新手来说，信息量可能有些大。但不需要一次性全部掌握，因为在后面的学习中，我们会逐渐深入。自己在课题进行的过程中，也会加深自己的理解。但书中要求掌握的部分，必须要牢牢记住。
本书的名字为：The Hard Way。意思是，学习VASP并不是一蹴而就的，需要一个长时间的积累过程。所以，新手切勿急躁，很多内容看不懂不要紧，务必要静下心来浏览一遍，自己跟着说明亲自去实践，切不可复制粘贴。 本节所讲解的东西，都务必去VASP官网找对应的说明，认真阅读，反复思考。养成潜心学习官网教程的良好习惯，从而远离网络上那些错误的信息。尤其是对于新手来说，很多都不懂的时候，没有自己的主见，别人一说就被牵着鼻子走了。
相关的参考资料：
- Vim使用练习：自己搜资料学习，百度里面很多，学会怎么输入，保存。
KPOINTS1: http://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/guide/node55.html
KPOINTS2: https://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/vasp/Automatic_k_mesh_generation.html
- POSCAR1: http://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/guide/node59.html
- POSCAR2: https://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/vasp/POSCAR_file.html
- POTCAR1: http://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/guide/node54.html
- POTCAR2: https://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/vasp/Recommended_PAW_potentials_DFT_calculations_using_vasp_5_2.html
- ISMEAR1: http://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/guide/node124.html
- ISMEAR2: http://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/vasp/Number_k_points_method_smearing.html