精度與成本平衡之道——ENCUT收斂性測試
第一講我們學(xué)習(xí)了K點(diǎn)收斂性測試，明確K點(diǎn)的變化對計(jì)算精度的影響極大。今天我們來學(xué)習(xí)另外一個參數(shù)——ENCUT，了解ENCUT的作用與設(shè)置對計(jì)算的精確性有重要意義。
什么是ENCUT、ENMAX？
ENCUT簡介
在VASP(注：VASP 是商業(yè)軟件，用戶要自帶版權(quán)，下同)中，截?cái)嗄埽╡nergy cutoff）指定了展開波函數(shù)用到的平面波基組（planewave basis set）所對應(yīng)的截?cái)嗄芰俊?/p>
截?cái)嗄茉酱?，代表用來描述波函?shù)的平面波基組越多，計(jì)算精度越高，同時計(jì)算耗時也越長。
ENMAX簡介
每個元素的贗勢文件（POTCAR）規(guī)定了元素價層電子與對應(yīng)的最大截?cái)嗄蹺NMAX。
如果在參數(shù)設(shè)置文件（INCAR）中設(shè)置了ENCUT的數(shù)值，程序?qū)凑諏?shí)際設(shè)定的ENCUT進(jìn)行計(jì)算；
如果沒有指定ENCUT，程序?qū)⒛J(rèn)ENCUT=ENMAX（注意：當(dāng)PREC = High時, ENCUT = 1.3*ENMAX）。
如何進(jìn)行ENCUT收斂性測試?
測試標(biāo)準(zhǔn)
ENMAX在保證定性正確的基礎(chǔ)上大幅度降低計(jì)算耗時，如果想要定量計(jì)算某些性質(zhì)就需要增大截?cái)嗄芰?。所以ENCUT測試通常從ENMAX開始測試，一般截止到1.5*ENMAX即可（注意：比ENMAX小的測試可能會得到錯誤的能量）。當(dāng)體系中每個原子的能量差收斂至0.001 eV/atom時，此ENCUT即為最終取值。
晶胞測試結(jié)果
我們分別計(jì)算了H2O、Si和Li在不同ENCUT取值下的能量和時間消耗。
為了統(tǒng)一表示，計(jì)算了ENCUT與對應(yīng)元素ENMAX的比值。
表中能量(eV)為靜態(tài)計(jì)算得到的體系總能量；
平均原子能(eV/atom) =總能量/總原子數(shù)；
相對能量(eV/atom)為當(dāng)前ENCUT與上一步ENCUT平均原子能差值；
時間(s)為計(jì)算結(jié)果文件OUTCAR中的cpu time。
分別繪制了三個晶胞在設(shè)置不同ENCUT下的收斂性測試曲線，其中橫坐標(biāo)為ENCUT/ENMAX的比值，縱坐標(biāo)（左/右）為平均原子能量(eV/atom)/計(jì)算所用時間(s)，另外給出了對應(yīng)晶胞的示意圖。
結(jié)合圖表不難看出，對于H2O、Si和Li，當(dāng)ENCUT/ENMAX分別為1.1、1.4和1.0時，三個結(jié)構(gòu)對應(yīng)的平均原子能量收斂至0.001 eV/atom。另外可以注意到，隨著ENCUT的增加，計(jì)算時間并沒有像K點(diǎn)那樣呈指數(shù)倍上升，其上升趨勢較為平緩。
晶胞與超胞測試對比
大體系的ENCUT測試也是利用晶胞（元素需保持一致）來進(jìn)行，擴(kuò)胞并不會影響ENCUT的設(shè)置。舉例說明，對Si晶胞進(jìn)行擴(kuò)胞（2×2×1），在與Si晶胞計(jì)算同樣的K點(diǎn)密度且其他參數(shù)保持一致的情況下對超胞進(jìn)行ENCUT收斂性測試，結(jié)果如下：
從圖表中可以看出，超胞與晶胞具有幾乎相同的收斂趨勢和原子平均能，然而在相同ENCUT下擴(kuò)胞后的計(jì)算耗時遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了晶胞，所以ENCUT收斂性測試用晶胞進(jìn)行即可，晶胞測得的ENCUT可直接應(yīng)用在超胞上。
Suggestions
注意事項(xiàng)
① ENMAX取所有元素對應(yīng)ENMAX的最大值；
② 對晶胞摻雜后，體系的ENCUT可能需要重新考量，因?yàn)樾略氐腅NMAX可能是體系中所有元素ENMAX的最大值；
③ 如果不知道自己的體系怎么設(shè)置ENCUT，參考同體系的計(jì)算文獻(xiàn)即可。
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收斂性測試
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