李東翔+李瑞琴+趙穎+覃信茂+閆萬珺

摘要：ABINIT程序包是基于量子力學(xué)原理和密度泛函理論，對于分子和具有周期性結(jié)構(gòu)的固體，主程序采用贗勢和平面波基矢的方法來計算體系的總能量、電子結(jié)構(gòu)以及電荷密度等。該文主要介紹了ABINIT程序的基本內(nèi)容、安裝與運行及其主要的計算功能，并將其與主流的第一性原理計算軟件做了簡要的比較。ABINIT程序主要的優(yōu)點為免費開源、運行效率較好及計算功能較齊全，主要的缺點為贗勢不夠精確和完備。

關(guān)鍵詞：ABINIT；第一性原理；免費開源

中圖分類號：O469 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

隨著科學(xué)技術(shù)和計算機性能的快速發(fā)展，計算機模擬對于材料性能的設(shè)計已經(jīng)成為重要的研究手段。主要的原因有兩個方面，一方面，計算模擬有時比實驗更加的快捷；另一方面，計算模擬可以預(yù)測實際實驗中難以達(dá)到的情況。眾多對于材料學(xué)的模擬方法中，第一性原理由于其無需經(jīng)驗參數(shù)和較好的精度，已經(jīng)成為研究者的首選。

根據(jù)原子核和電子互相作用的原理及其基本運動規(guī)律，運用量子力學(xué)原理，從具體要求出發(fā)，經(jīng)過一些近似處理后直接求解薛定諤方程的算法，習(xí)慣上稱為 第一性原理[1]。第一性原理計算的常用軟件包括Materials Studio，VASP，PWSCF， ABINIT， Win2K，ELK等等。量子力學(xué)計算軟件有較多的類型，主要可以分成免費的軟件和商用的軟件。免費的軟件主要包括ABINIT，SIESTA，PWSCF，ELK等。商用的軟件主要有VASP，CASTEP，DMOL，WIEN2K，GAUSSIAN等。從頭計算方法可以分為兩種，一種是程序計算時把原子外層的電子全部考慮進(jìn)去而進(jìn)行的全電子運算方法，由于其包括了較多的電子，從而極大地增加了計算量，導(dǎo)致運算的速度偏慢。但是，相應(yīng)的計算精度也較高，Win2K和ELK是全電子方法的軟件。另一種是程序計算時只考慮原子核外層電子，用比較平滑的贗波函數(shù)替代振蕩劇烈的真實波函數(shù)的平面波贗勢方法。平面波贗勢方法比全電子方法增加了一個近似的條件，ABINIT、VASP，PWSCF都是平面波贗勢方法的軟件。

ABINIT程序包是基于量子力學(xué)原理和密度泛函理論[2-5]，對于分子和具有周期性結(jié)構(gòu)的固體，主程序采用贗勢和平面波基矢的方法來計算體系的總能量、電子結(jié)構(gòu)以及電荷密度等。主程序主要通過H-F力和壓力來控制體系的幾何優(yōu)化，程序包還可以利用多體微擾理論（GW近似）來計算體系的激發(fā)態(tài)等性質(zhì)。ABINIT不僅包含有計算模塊，而且也提供了非常實用的工具模塊（如cut3d、aim、band2eps、AbinitBandStructureMaker.py等），它們可以較好地處理主程序計算的結(jié)果和數(shù)據(jù)。ABINIT程序包的應(yīng)用非常的廣泛，不僅可以對材料科學(xué)、化學(xué)、固體物理、材料工程等方面的研究，而且也適用于對分子材料、半導(dǎo)體材料、金屬材料等的表面以及界面的性質(zhì)進(jìn)行研究。

本文主要介紹了ABINIT程序的基本內(nèi)容、安裝與運行及其主要的計算功能，并將其與主流的第一性原理計算軟件做了簡要的比較。ABINIT主要的優(yōu)點為完全的免費開源、運行效率較好及功能較齊全，主要的缺點為贗勢不夠精確和完備。

1 安裝與運行

1.1 安裝

目前，ABINIT程序包主要支持在Ubuntu或Linux系統(tǒng)中的安裝和使用，安裝主要分為以下三步。

1.2 運行文件

ABINIT的輸入文件主要包括x.in、x.files和pseudopotential三個文件。

1）x.in 文件

x.in 文件里面為計算時所使用的參數(shù)，" x "名字可隨意取，但要與x.files中的相一致。主要的參數(shù)包括電子態(tài)密度、能帶、截斷能、K點網(wǎng)格數(shù)、收斂系數(shù)、晶格、原子坐標(biāo)、自旋等。

2）x.files文件

x.file文件包括：輸入文件（ input files）名、 輸出文件（output files）名和贗勢（pseudopotential files）名。

例：Ti的總能計算所用之 Ti.files里主要包括以下內(nèi)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

贗勢可到abinit的官方網(wǎng)頁上下載，其主要的類型有：模守恒贗勢（Norm-conserving pseudo potentials）和綴加投影波（PAW）贗勢。模守恒贗勢主要有ONCVPSP、APE、OPIUM和FHI98PP贗勢；PAW按交換關(guān)聯(lián)函數(shù)不同分為LDA和GGA，其中GGA又分為PW91和PBE兩種贗勢。

1.3 執(zhí)行命令

2 ABINIT的主要功能

ABINIT[6]可以計算很多物理屬性，最主要的功能可以分為以下五大類。

2.1 計算倒格子中核與電子的總能量

ABINIT程序可以計算倒格子中核與電子的總能量，主要包括以下內(nèi)容：1）主程序計算時，采用密度泛函理論（DFT），利用平面波和贗勢處理電子及電子之間的作用，通過自恰場計算生成DFT基態(tài)，從而得到體系相關(guān)的能量、電子結(jié)構(gòu)、能帶態(tài)、密度及相關(guān)的一些性質(zhì)。2）計算時贗勢的選取有很多，但需根據(jù)不同的體系及計算的性質(zhì)選擇合適的贗勢。其中，Troullier-Martins型和Goedecker型這兩種贗勢對整個周期表中的元素都基本適用；3）主程序計算時可以對金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的體系進(jìn)行處理；電子結(jié)構(gòu)、能量、張量等計算時可以把電子的自旋極化、非極化以及自旋-軌道耦合等問題進(jìn)行處理。4）計算內(nèi)部電子本征值；5）230個空間群和1191個Shubnikov磁群的對稱性分析。

2.2 計算總能量和本征能量

ABINIT程序可以對總能量和本征能量進(jìn)行計算。主要的計算內(nèi)容包括：1）主程序可以對應(yīng)力、響應(yīng)、H-F力、極化、磁性以及光學(xué)傳導(dǎo)性進(jìn)行計算；2）主程序可以對Born有效電荷的能帶進(jìn)行分解處理；3）主程序也可以計算局域化張量。

2.3 激發(fā)態(tài)

ABINIT程序還可以計算激發(fā)態(tài)，主要內(nèi)容包括兩方面。一方面，可以用時間相關(guān)的密度泛函理論（TDDFT）計算原子和分子單重或三重激發(fā)態(tài)的能量。另一方面，主程序還可以利用GW（Green函數(shù)G與含屏蔽的相互作用W）近似來計算體系的能量。

2.4 改變晶胞參數(shù)和移動原子

ABINIT程序可以通過改變晶胞參數(shù)和移動原子來優(yōu)化體系，從而得到較穩(wěn)定的體系結(jié)構(gòu)。主程序能夠在優(yōu)化晶胞參數(shù)的同時尋找體系的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，還能夠固定晶胞參數(shù)來優(yōu)化體系的原子位置，也可以固定原子位置來優(yōu)化體系的晶胞參數(shù)。另一方面，ABINIT程序有兩種算法進(jìn)行分子動力學(xué)計算，且可自動分析鍵長鍵角。

2.5 分析和圖形工具

ABINIT程序自帶有較好的后期數(shù)據(jù)處理工具，程序cut3d用于分析密度、勢文件和波函數(shù)文件，程序aim用于進(jìn)行Bader的“原子中的分子”（AIM）密度分析，程序AbinitBandStructureMaker.py可以用于對體系能帶的分析，程序band2eps可以自動畫出eps格式的聲子散射曲線。

3 ABINIT與其他軟件的比較

第一性原理計算的最常用軟件包括：CASTEP，VASP，PWscf， ABINIT， Win2K等。

ABINIT軟件與其他第一性原理計算軟件的比較，如表1所示。ABINIT和PWscf是兩款優(yōu)秀的開源免費軟件，它們遵循GNU許可協(xié)議，開發(fā)團(tuán)隊是來自世界各地的志愿者，開發(fā)和更新的速度較快，但是贗勢不夠精確和完備。VASP和CASTEP軟件為商用性質(zhì)的軟件，開發(fā)團(tuán)隊比較固定，最大的優(yōu)勢為：1）贗勢經(jīng)過系統(tǒng)的檢驗，精確度較高，而且包括了元素周期表中絕大多數(shù)元素的贗勢。2）參數(shù)的設(shè)置較簡單。3）運行和并行的效率較高。VASP軟件還支持續(xù)算功能，其利于較大體系和較長時間的計算需求。如果做磁性材料，wien2k是最好的選擇，精度最高。但由于其采用的是全勢，所以計算資源占用較大，時間消耗過高，運行效率較低。

4 結(jié)束語

眾多對于材料學(xué)的模擬方法中，第一性原理由于其無需經(jīng)驗參數(shù)和較好的精度，已經(jīng)得到了研究者的廣泛認(rèn)可。ABINIT是一款優(yōu)秀的開源免費軟件，其為研究者提供了一個免費且可靠的第一性原理計算平臺。本文主要從基本內(nèi)容、安裝與運行、主要的計算功能等方面介紹了ABINIT程序包。ABINIT與其他的第一性原理計算軟件相比，其主要的優(yōu)點為完全的免費開源、運行效率較好及計算功能較齊全。此外，主程序自帶了豐富的后期工具模塊，其可以較好的對計算的數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行處理。它主要的缺點為贗勢不夠精確和完備，缺乏續(xù)算功能，這非常不利于需要較長時間和較大規(guī)模的計算。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳舜麟. 計算材料科學(xué)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2005.

[2] Sholl D S， Steckel J A. 密度泛函理論[M]. 李健， 周勇，譯. 北京： 國防大學(xué)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] 王濤. 材料模擬計算軟件ABINIT[J]. 高性能計算發(fā)展與應(yīng)用， 2013（1）.