ABINIT模拟计算程序的应用

摘要：ABINIT程序包是基于量子力学原理和密度泛函理论，对于分子和具有周期性结构的固体，主程序采用赝势和平面波基矢的方法来计算体系的总能量、电子结构以及电荷密度等。该文主要介绍了ABINIT程序的基本内容、安装与运行及其主要的计算功能，并将其与主流的第一性原理计算软件做了简要的比较。ABINIT程序主要的优点为免费开源、运行效率较好及计算功能较齐全，主要的缺点为赝势不够精确和完备。

关键词：ABINIT；第一性原理；免费开源

中图分类号：O469 文献标识a：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0216-03

Abstract： The ABINIT package is based on quantum mechanics and density functional theory. For molecules and solids with periodic structures， the main program uses the pseudopotential and plane wave vector to calculate the total energy， electronic structure and charge density of the system. This paper introduces mainly the basic content， installation and operation and main computing functions of the ABINIT program. It makes a brief comparison with mainstream first-principles computing software. The main advantages of the ABINIT program include the open source， the better operating efficiency and more complete computing function. The main drawback is that the pseudopotentials are not enough precision and maturity.

Key words： abinit； first principles； free and open source

随着科学技术和计算机性能的快速发展，计算机模拟对于材料性能的设计已经成为重要的研究手段。主要的原因有两个方面，一方面，计算模拟有时比实验更加的快捷；另一方面，计算模拟可以预测实际实验中难以达到的情况。众多对于材料学的模拟方法中，第一性原理由于其无需经验参数和较好的精度，已经成为研究者的首选。

根据原子核和电子互相作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法，习惯上称为 第一性原理[1]。第一性原理计算的常用软件包括Materials Studio，VASP，PWSCF， ABINIT， Win2K，ELK等等。量子力学计算软件有较多的类型，主要可以分成免费的软件和商用的软件。免费的软件主要包括ABINIT，SIESTA，PWSCF，ELK等。商用的软件主要有VASP，CASTEP，DMOL，WIEN2K，GAUSSIAN等。从头计算方法可以分为两种，一种是程序计算时把原子外层的电子全部考虑进去而进行的全电子运算方法，由于其包括了较多的电子，从而极大地增加了计算量，导致运算的速度偏慢。但是，相应的计算精度也较高，Win2K和ELK是全电子方法的软件。另一种是程序计算时只考虑原子核外层电子，用比较平滑的赝波函数替代振荡剧烈的真实波函数的平面波赝势方法。平面波赝势方法比全电子方法增加了一个近似的条件，ABINIT、VASP，PWSCF都是平面波赝势方法的软件。

ABINIT程序包是基于量子力学原理和密度泛函理论[2-5]，对于分子和具有周期性结构的固体，主程序采用赝势和平面波基矢的方法来计算体系的总能量、电子结构以及电荷密度等。主程序主要通过H-F力和压力来控制体系的几何优化，程序包还可以利用多体微扰理论（GW近似）来计算体系的激发态等性质。ABINIT不仅包含有计算模块，而且也提供了非常实用的工具模块（如cut3d、aim、band2eps、AbinitBandStructureMaker.py等），它们可以较好地处理主程序计算的结果和数据。ABINIT程序包的应用非常的广泛，不仅可以对材料科学、化学、固体物理、材料工程等方面的研究，而且也适用于对分子材料、半导体材料、金属材料等的表面以及界面的性质进行研究。

本文主要介绍了ABINIT程序的基本内容、安装与运行及其主要的计算功能，并将其与主流的第一性原理计算软件做了简要的比较。ABINIT主要的优点为完全的免费开源、运行效率较好及功能较齐全，主要的缺点为赝势不够精确和完备。

1 安装与运行

1.1 安装

目前，ABINIT程序包主要支持在Ubuntu或Linux系统中的安装和使用，安装主要分为以下三步。

1.2 运行文件

ABINIT的输入文件主要包括x.in、x.files和pseudopotential三个文件。

1）x.in 文件

x.in 文件里面为计算时所使用的参数，" x "名字可随意取，但要与x.files中的相一致。主要的参数包括电子态密度、能带、截断能、K点网格数、收敛系数、晶格、原子坐标、自旋等。

2）x.files文件

x.file文件包括：输入文件（ input files）名、 输出文件（output files）名和赝势（pseudopotential files）名。

例：Ti的总能计算所用之 Ti.files里主要包括以下内容。

Ti.in （input file ）

Ti.out （output file ）

Tii （input wavefunction， density or potential 名， ex. sii_WFK）

Tio （output wavefunction， density or potential 名， ex. sio_WFK）

Ti （temporary files，ex. Ti_STATS）

Ti.psp （pseudopotential ）

3）pseudopotential

赝势可到abinit的官方网页上下载，其主要的类型有：模守恒赝势（Norm-conserving pseudo potentials）和缀加投影波（PAW）赝势。模守恒赝势主要有ONCVPSP、APE、OPIUM和FHI98PP赝势；PAW按交换关联函数不同分为LDA和GGA，其中GGA又分为PW91和PBE两种赝势。

1.3 执行命令

2 ABINIT的主要功能

ABINIT[6]可以计算很多物理属性，最主要的功能可以分为以下五大类。

2.1 计算倒格子中核与电子的总能量

ABINIT程序可以计算倒格子中核与电子的总能量，主要包括以下内容：1）主程序计算时，采用密度泛函理论（DFT），利用平面波和赝势处理电子及电子之间的作用，通过自恰场计算生成DFT基态，从而得到体系相关的能量、电子结构、能带态、密度及相关的一些性|。2）计算时赝势的选取有很多，但需根据不同的体系及计算的性质选择合适的赝势。其中，Troullier-Martins型和Goedecker型这两种赝势对整个周期表中的元素都基本适用；3）主程序计算时可以对金属、半导体、绝缘体的体系进行处理；电子结构、能量、张量等计算时可以把电子的自旋极化、非极化以及自旋-轨道耦合等问题进行处理。4）计算内部电子本征值；5）230个空间群和1191个Shubnikov磁群的对称性分析。

2.2 计算总能量和本征能量

ABINIT程序可以对总能量和本征能量进行计算。主要的计算内容包括：1）主程序可以对应力、响应、H-F力、极化、磁性以及光学传导性进行计算；2）主程序可以对Born有效电荷的能带进行分解处理；3）主程序也可以计算局域化张量。

2.3 激发态

ABINIT程序还可以计算激发态，主要内容包括两方面。一方面，可以用时间相关的密度泛函理论（TDDFT）计算原子和分子单重或三重激发态的能量。另一方面，主程序还可以利用GW（Green函数G与含屏蔽的相互作用W）近似来计算体系的能量。

2.4 改变晶胞参数和移动原子

ABINIT程序可以通过改变晶胞参数和移动原子来优化体系，从而得到较稳定的体系结构。主程序能够在优化晶胞参数的同时寻找体系的稳定结构，还能够固定晶胞参数来优化体系的原子位置，也可以固定原子位置来优化体系的晶胞参数。另一方面，ABINIT程序有两种算法进行分子动力学计算，且可自动分析键长键角。

2.5 分析和图形工具

ABINIT程序自带有较好的后期数据处理工具，程序cut3d用于分析密度、势文件和波函数文件，程序aim用于进行Bader的“原子中的分子”（AIM）密度分析，程序AbinitBandStructureMaker.py可以用于对体系能带的分析，程序band2eps可以自动画出eps格式的声子散射曲线。

3 ABINIT与其他软件的比较

第一性原理计算的最常用软件包括：CASTEP，VASP，PWscf， ABINIT， Win2K等。

ABINIT软件与其他第一性原理计算软件的比较，如表1所示。ABINIT和PWscf是两款优秀的开源免费软件，它们遵循GNU许可协议，开发团队是来自世界各地的志愿者，开发和更新的速度较快，但是赝势不够精确和完备。VASP和CASTEP软件为商用性质的软件，开发团队比较固定，最大的优势为：1）赝势经过系统的检验，精确度较高，而且包括了元素周期表中绝大多数元素的赝势。2）参数的设置较简单。3）运行和并行的效率较高。VASP软件还支持续算功能，其利于较大体系和较长时间的计算需求。如果做磁性材料，wien2k是最好的选择，精度最高。但由于其采用的是全势，所以计算资源占用较大，时间消耗过高，运行效率较低。

4 结束语

众多对于材料学的模拟方法中，第一性原理由于其无需经验参数和较好的精度，已经得到了研究者的广泛认可。ABINIT是一款优秀的开源免费软件，其为研究者提供了一个免费且可靠的第一性原理计算平台。本文主要从基本内容、安装与运行、主要的计算功能等方面介绍了ABINIT程序包。ABINIT与其他的第一性原理计算软件相比，其主要的优点为完全的免费开源、运行效率较好及计算功能较齐全。此外，主程序自带了丰富的后期工具模块，其可以较好的对计算的数据和结果进行处理。它主要的缺点为赝势不够精确和完备，缺乏续算功能，这非常不利于需要较长时间和较大规模的计算。

参考文献：

[1] 陈舜麟. 计算材料科学[M]. 北京： 化学工业出版社， 2005.

[2] Sholl D S， Steckel J A. 密度泛函理论[M]. 李健， 周勇，译. 北京： 国防大学出版社， 2014.

[3] Martin R M. Electronic Structure： Basic Theory and Practical Methods[M]. Cambridge University Press， 2004.

[4] Kittel C. Introduction to Solid State Physics[M]. New York： Wiley， 1976.

[5] Alapati S V， Johnson J K， Sholl D S. Using First Principles Calculations to Identify New Destabilized Metal Hydride Reactions for Reversible Hydrogen Storage[J]. Phy. Chem. Chem. Phy. 2007（9）.

[6] 王涛. 材料模拟计算软件ABINIT[J]. 高性能计算发展与应用， 2013（1）.