[zz] phonopy 计算声子谱

October 7, 2009

Tags: Phonopy, Python

1. Phonopy 简介

Phonopy 是一个由 python 实现的的晶体声子分析程序。它是目前提供了 VASP 的 Wien2k 的接口用来计算原子受力。它的主要功能有：

计算声子色散谱；
计算声子态密度，包括分立态密度；
声子热力学性质，包括自由能，热容量，焓；

Phonopy 通过力常数的方法计算声子谱。力常数由计算原子在超晶胞中被移动后的受力得到(Parlinsk-Li-Kawasoe 方法)。

同样类型的程序还有 phon, fropho, phonon. 其中 phonon 是商业软件，卖的很贵，fropho 和 phonopy 的代码其实都是来自于 phon, fropho 是为了代替 phon 而开发的，目的是为了使用 phon 更方便，phon 和 fropho 主要都是由 fortran 开发的，而现在 fropho 已经停止开发，由 python 开发的 phonopy 代替了 fropho, phonopy 在使用上更为方便，在计算量上更为减少。因为 phon, fropho 和 phonon 在移动原子位置时都是一次只移动一个原子的一个方向，而 phonopy 则可以一次移动一个原子的多个方向，所以和其它程序相比, phonopy 最多可以减少 2/3 的计算量。

2. Phonopy 的安装

phonopy 主要由 python 开发，其中的找晶体空间群功能是由 C 语言(spglib)实现。在安装 phonopy 时需要安装以下它所依赖的软件包：

Python 的开发包
numpy , numpy-dev
matplotlib
python-lxml
python-yaml

如果是使用的 Ubuntu/Debian 系统只需：
sudo aptitude install python-dev python-numpy \
python-matplotlib python-tk python-lxml python-yaml

如果是 OpenSUSE 则可以去 搜索下载安装相关软件包。

去 下载 phonopy 的最新软件包.

解压后进入 软件包的 c 目录，

su
python setup.py install

编译安装所需要的 python 模块。

将 PATH/phonopy-0.6.1 $PATH 里：
比如： export PATH=~/opt/phonopy-0.6.1:$PATH

3. Phonopy 的简单使用

下面我以 BC5 为例说明如何和 VASP 做接口计算声子谱：

a, 建立超胞

准备 POSCAR 文件
单胞和原胞都可以

准备 INPHON 文件

ATOM_NAME = B C
NDIM = 2 2 1
LSUPER = .TRUE.

简单说明：
第一行为原子符号名 B C ，注意要和 POSCAR 中的顺序相同。
第二行为要建的超胞的维数。
第三行是指要建立移动原子的 POSCAR.

然后输入命令：
phonopy.py

就会输出 DISP, POSCAR-* (001, 002, 003, …)
在本例出会输出 12 个 POSCAR-*, 依次为 POSCAR-001,…POSCAR-012

b, 计算力常数

将这些 POSCAR-* 做 SCF, 将输出文件 vasprun.xml 保存下来。
我的计算脚本为：

#!/bin/sh

for a in 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
do
cp POSCAR-0$a POSCAR
/opt/intel/impi/3.1/bin64/mpiexec -n 8 /share/apps/vasp/bin/vaspmpi_mkl10_O1 >>out.vasp 2>>err.vasp &
wait
cp vasprun.xml vasprun.xml-0$a
done

我的 INCAR 为：

SYSTEM = BC5
PREC = Accurate
ENCUT = 520
EDIFF = 1e-5
NSW = 0
ISMEAR = 0
SIGMA = 0.05
LCHARG = FALSE
LWAVE = FALSE

这样计算结束后会得到 vasprun.xml-001, …, vasprun.xml-012

然后，执行命令：
phonopy.py -f vasprun.xml-*

就会得到文件 FORCES

c, 得到声子谱

有了文件 FORCES 后就可以计算声子谱了，这时将 INPHON 改为以下内容：

ATOM_NAME = B C
NDIM = 2 2 1
ND = 7
NPOINTS = 51
QI = 0.0 0.0 0.5 0.0 0.5 0.5 0.0 0.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.5 0.5 0.0 0.5 0.0 0.0 0.5 0.0 0.5
QF = 0.0 0.5 0.5 0.0 0.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.5 0.5 0.0 0.5 0.0 0.0 0.5 0.0 0.5 0.5 0.5 0.5

简单说明：
ND 是指有几条路径；
NPOINTS 是指在每两个高对称性点间插入多少个点，包括边界；
QI 和 QF 给出路径的起始和结束点。

其中我用的 Q 点顺序为：
0.0 0.0 0.5 Z
0.0 0.5 0.5 T
0.0 0.5 0.0 Y
0.0 0.0 0.0 G
0.5 0.5 0.0 S
0.5 0.0 0.0 X
0.5 0.0 0.5 U
0.5 0.5 0.5 R

执行 命令
phonopy.py -p

即可画出声子谱， 如果执行 phonopy.py -p -s 即可将声子谱曲线保存为 PDF 文件。
其中 声子谱的数据是以 yaml 格式保存在 band.yaml 里的。

如果你想用 Origin, Qtiplot, Xmgrace 等工具画图的话，可以用我写的 python 脚本，() 将 band.yaml 转换一下，输出文件有两个 band.dat, qpoint.dat.
其中 band.dat 是声子谱数据， qpoint.dat 是高对称性点的数据。

以上只是 phonopy 的其本用法，如果要计算声子态度度和热力学性质的话可以参考
上的文档，还是比较简单的。

我的计算结果:

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