量子化学仿真软件：Quantum Espresso_（7）.ph.x模块使用
ph.x模块使用
1. ph.x模块概述
ph.x 是 Quantum Espresso 软件套件中的一个重要模块，用于计算材料的声子谱和相关的物理性质，如热导率、热膨胀系数等。声子是晶格振动的量子化模式，对理解材料的热力学性质、电输运性质以及光学性质至关重要。ph.x 模块基于密度泛函微扰理论（Density Functional Perturbation Theory, DFPT）进行计算，能够高效地处理周期性固体系统中的声子问题。
2. 声子谱计算的基本原理
2.1 密度泛函微扰理论（DFPT）
密度泛函微扰理论（DFPT）是密度泛函理论（DFT）的一种扩展，用于计算材料在小扰动下的响应。DFPT 的核心思想是在 DFT 基础上引入一个小的外部扰动，通过计算系统的响应来得到声子谱和其他相关的物理性质。具体步骤如下：
-
基态计算：使用
pw.x模块计算材料的基态电子结构，得到自洽场（Self-Consistent Field, SCF）波函数和能量。 -
微扰计算：在基态波函数的基础上，加入小的微扰，计算系统的响应。
-
声子谱计算：通过微扰理论计算得到的响应，进一步计算声子频率和模式。
2.2 声子模式和频率
声子模式是晶格振动的模式，可以用波矢 q 和模指数 ν 来描述。每个 q 点对应一个波矢，每个 ν 模指数对应一个特定的振动模式。声子频率 ω 是声子模式的能量，与波矢 q 和模指数 ν 有关。ph.x 模块通过计算这些频率和模式，提供了材料的声子谱。
2.3 声子谱的应用
声子谱在材料科学中有广泛的应用，例如：
-
热导率：声子是固体中热量传输的主要载体，通过声子谱可以计算材料的热导率。
-
热膨胀系数：声子谱可以用于计算材料在不同温度下的热膨胀系数。
-
红外光谱：声子模式的振动频率与红外光谱的峰有关，可以用于材料的光谱学研究。
3. ph.x模块的输入文件
ph.x 模块的输入文件主要包含两个部分：控制参数和系统参数。这些参数可以分为几大类：全局控制参数、电子结构参数、声子计算参数等。
3.1 全局控制参数
| 参数名 | 描述 | 默认值 |
| — | — | — |
| outdir | 输出文件的目录 | ./ |
| prefix | 前缀，用于标识输出文件 | pwscf |
| tprnfor | 是否输出力的打印 | false |
| tstress | 是否输出应力的打印 | false |
| lfildvscf | 是否读取微扰势文件 | true |
3.2 电子结构参数
| 参数名 | 描述 | 默认值 |
| — | — | — |
| nbnd | 电子带数 | 自动确定 |
| ecutwfc | 波函数截断能 | 从 scf 计算中读取 |
| ecutrho | 电荷密度截断能 | 从 scf 计算中读取 |
| nband | 计算的带数 | 从 scf 计算中读取 |
3.3 声子计算参数
| 参数名 | 描述 | 默认值 |
| — | — | — |
| tr2_ph | 声子计算的收敛阈值 | 1.0d-12 |
| fildvscf | 微扰势文件名 | prefix.dvscf |
| fildyn | 动力学矩阵文件名 | prefix.dyn |
| fildvscf_threshold | 微扰势文件的阈值 | 1.0d-5 |
| qplot | 是否绘制 q 点路径 | false |
| lqdir | 是否使用 q 点方向 | false |
| q_thr | q 点筛选阈值 | 1.0d-4 |
3.4 示例输入文件
以下是一个典型的 ph.x 输入文件示例，用于计算 Si 的声子谱：
&INPUTPH
prefix = 'Si',
outdir = './tmp/',
tr2_ph = 1.0d-12,
fildvscf = 'Si.dvscf',
fildyn = 'Si.dyn',
qplot = .true.,
lqdir = .false.,
q_thr = 1.0d-4,
/
ATOMIC_POSITIONS (alat)
Si 0.0 0.0 0.0
Si 0.25 0.25 0.25
/
K_POINTS (automatic)
4 4 4 0 0 0
/
Q_POINTS (crystal)
2 1
0.0 0.0 0.0
0.5 0.5 0.5
/
3.5 输入文件参数详解
-
prefix：指定前缀，用于标识输出文件。通常与scf计算中的前缀相同。 -
outdir：指定输出文件的目录。确保该目录存在，否则计算会失败。 -
tr2_ph：声子计算的收敛阈值，通常设置为1.0d-12。 -
fildvscf：微扰势文件名，通常与scf计算中的前缀相同。 -
fildyn：动力学矩阵文件名，通常与scf计算中的前缀相同。 -
qplot：是否绘制 q 点路径，设置为true可以生成路径文件。 -
lqdir：是否使用 q 点方向，通常设置为false。 -
q_thr：q 点筛选阈值，用于排除低频的 q 点。
4. ph.x模块的输出文件
ph.x 模块的输出文件主要包括以下内容：
-
ph.log：计算过程的详细日志。 -
prefix.dyn：动力学矩阵文件，包含 q 点和对应的声子频率。 -
prefix.dvscf：微扰势文件，用于后续的声子谱计算。 -
prefix.phdos：声子态密度文件。 -
prefix.phdisp：声子色散关系文件。
4.1 动力学矩阵文件
动力学矩阵文件 prefix.dyn 包含每个 q 点的动力学矩阵和对应的声子频率。文件格式如下：
# q-point 1
q(1) = 0.0000000 0.0000000 0.0000000
# phonon frequencies
0.0000000000
0.0000000000
0.0000000000
0.0000000000
0.0000000000
0.0000000000
# q-point 2
q(2) = 0.5000000 0.5000000 0.5000000
# phonon frequencies
12.3456789012
12.3456789012
12.3456789012
12.3456789012
12.3456789012
12.3456789012
4.2 声子态密度文件
声子态密度文件 prefix.phdos 包含声子态密度（Phonon Density of States, PDOS）的数据。文件格式如下：
# Phonon density of states
# Energy (THz) PDOS
0.0000000000 0.0000000000
1.0000000000 0.0123456789
2.0000000000 0.0234567890
3.0000000000 0.0345678901
4.0000000000 0.0456789012
5.0000000000 0.0567890123
4.3 声子色散关系文件
声子色散关系文件 prefix.phdisp 包含 q 点和对应的声子频率数据。文件格式如下：
# Phonon dispersion relation
# q-point Energy (THz)
0.0000000000 0.0000000000 0.0000000000
0.0000000000
0.0000000000
0.0000000000
0.0000000000
0.0000000000
0.0000000000
0.5000000000 0.5000000000 0.5000000000
12.3456789012
12.3456789012
12.3456789012
12.3456789012
12.3456789012
12.3456789012
5. ph.x模块的运行流程
5.1 基态计算
在使用 ph.x 模块之前，需要先进行基态计算。基态计算通常使用 pw.x 模块，生成自洽场波函数和能量。以下是一个简单的基态计算输入文件示例：
&control
prefix = 'Si',
outdir = './tmp/',
pseudo_dir = './pseudo/',
calculation = 'scf',
restart_mode = 'from_scratch',
verbosity = 'high',
/
&system
ibrav = 2,
celldm(1) = 10.260,
nat = 2,
ntyp = 1,
ecutwfc = 50.0,
ecutrho = 200.0,
/
&electrons
mixing_mode = 'plain',
mixing_beta = 0.7,
conv_thr = 1.0d-8,
/
ATOMIC_SPECIES
Si 28.0855 Si.pbe-n-rrkjus_psl.1.0.0.UPF
ATOMIC_POSITIONS (alat)
Si 0.0 0.0 0.0
Si 0.25 0.25 0.25
/
K_POINTS (automatic)
4 4 4 0 0 0
/
5.2 微扰计算
基态计算完成后，使用 ph.x 模块进行微扰计算。微扰计算的输入文件如前所述，包含全局控制参数、电子结构参数和声子计算参数。
5.3 声子谱计算
微扰计算完成后，ph.x 模块会生成动力学矩阵文件 prefix.dyn 和微扰势文件 prefix.dvscf。这些文件可以用于进一步的声子谱计算，例如使用 matdyn.x 模块生成声子色散关系图。
6. 使用ph.x模块计算声子谱
6.1 计算步骤
-
基态计算：使用
pw.x模块进行基态计算，生成自洽场波函数和能量。 -
微扰计算：使用
ph.x模块进行微扰计算，生成动力学矩阵文件和微扰势文件。 -
声子谱计算：使用
matdyn.x模块生成声子色散关系图和声子态密度图。
6.2 示例代码
以下是一个完整的计算流程示例，包括基态计算、微扰计算和声子谱计算。
6.2.1 基态计算
创建一个 scf.in 文件，包含基态计算的参数：
&control
prefix = 'Si',
outdir = './tmp/',
pseudo_dir = './pseudo/',
calculation = 'scf',
restart_mode = 'from_scratch',
verbosity = 'high',
/
&system
ibrav = 2,
celldm(1) = 10.260,
nat = 2,
ntyp = 1,
ecutwfc = 50.0,
ecutrho = 200.0,
/
&electrons
mixing_mode = 'plain',
mixing_beta = 0.7,
conv_thr = 1.0d-8,
/
ATOMIC_SPECIES
Si 28.0855 Si.pbe-n-rrkjus_psl.1.0.0.UPF
ATOMIC_POSITIONS (alat)
Si 0.0 0.0 0.0
Si 0.25 0.25 0.25
/
K_POINTS (automatic)
4 4 4 0 0 0
/
运行基态计算：
mpirun -np 4 pw.x < scf.in > scf.out
6.2.2 微扰计算
创建一个 ph.in 文件，包含微扰计算的参数：
&INPUTPH
prefix = 'Si',
outdir = './tmp/',
tr2_ph = 1.0d-12,
fildvscf = 'Si.dvscf',
fildyn = 'Si.dyn',
qplot = .true.,
lqdir = .false.,
q_thr = 1.0d-4,
/
ATOMIC_POSITIONS (alat)
Si 0.0 0.0 0.0
Si 0.25 0.25 0.25
/
K_POINTS (automatic)
4 4 4 0 0 0
/
Q_POINTS (crystal)
2 1
0.0 0.0 0.0
0.5 0.5 0.5
/
运行微扰计算：
mpirun -np 4 ph.x < ph.in > ph.out
6.2.3 声子谱计算
创建一个 matdyn.in 文件，包含声子谱计算的参数：
&input
asr = 'simple',
amass(1) = 28.0855,
filqin = 'Si.dyn',
filoq = 'Si.phdisp',
filxsf = 'Si.phdisp.xsf',
flfrc = 'Si.force_constants',
flfrq = 'Si.freq',
/
0.0 0.0 0.0
0.5 0.5 0.5
运行声子谱计算：
mpirun -np 4 matdyn.x < matdyn.in > matdyn.out