如何使用Phonopy的DFPT计算声子谱和热力学性质#

Phonopy安装#

请务必保证Python版本为3.7或以上，并配置了环境变量（即python3命令可以直接运行）

Phonopy是一个用于计算晶体材料声子谱和热力学性质的Python库。要使用Phonopy进行DFPT（密度泛函微扰理论）计算，首先需要安装Phonopy。可以通过以下命令安装：pip install phonopy 使用以下命令检查Phonopy是否安装成功：

1
$ phonopy
2
        _
3
  _ __ | |__   ___  _ __   ___   _ __  _   _
4
 | '_ \| '_ \ / _ \| '_ \ / _ \ | '_ \| | | |
5
 | |_) | | | | (_) | | | | (_) || |_) | |_| |
6
 | .__/|_| |_|\___/|_| |_|\___(_) .__/ \__, |
7
 |_|                            |_|    |___/
8
                                      2.38.2
9

10
-------------------------[time 2025-06-26 10:52:53]-------------------------
11
Compiled with OpenMP support (max 16 threads).
12
Python version 3.12.3
13
Spglib version 2.5.0
14

15

16
Supercell matrix (DIM or --dim) was not explicitly specified.
17
Switched on phonopy-yaml mode.
18
"phonopy_disp.yaml" or "phonopy.yaml" could not be found.
19
  ___ _ __ _ __ ___  _ __
20
 / _ \ '__| '__/ _ \| '__|
21
|  __/ |  | | | (_) | |
22
 \___|_|  |_|  \___/|_|

如果看到类似上面的输出，说明Phonopy安装成功。

如果输出是 command not found: phonopy，则说明Phonopy没有安装成功或没有配置环境变量。可以尝试如下命令配置环境变量：export PATH="$PATH:/opt/Python312/bin/"，记得将路径替换成你的python安装路径下的bin目录。如果有效，记得将这行命令添加到你的 .bashrc，以便每次登录时自动加载。

Phonopy的DFPT计算#

参考官网：VASP-DFPT & phonopy calculation Phonopy支持使用DFPT计算声子谱和热力学性质。以下是使用Phonopy进行DFPT计算的步骤：

一、准备VASP输入文件#

1. 准备POSCAR文件#

首先，将优化后的结构保存为POSCAR-unitcell文件。
创建一个新的目录（如 phonopy-dfpt），并将POSCAR-unitcell文件复制到该目录下。
使用Phonopy进行扩胞。扩胞原则：扩胞原则：扩大接近100个原子，超胞晶格大于10A。使用以下命令进行扩胞操作：
Terminal window
```
1
phonopy -d --dim 2 2 2 -c POSCAR-unitcell
```
其中，--dim 2 2 2表示将原胞扩展为2x2x2的超胞。这将生成多个POSCAR文件（如POSCAR-000, POSCAR-001等），每个文件对应一个原子位移。但是这些POSCAR-{number}文件在DFPT计算中并不需要。这些文件是在有限位移法（Finite Displacement Method）中使用的。
接下来，使用Phonopy生成phonopy_disp.yaml文件：
Terminal window
```
1
phonopy --dim 2 2 2 -c POSCAR-unitcell
```
这将生成一个名为phonopy_disp.yaml的文件，其中包含了超胞的位移信息。

2. 设置INCAR文件#

需要使用VASP计算完美超胞的力学常数，要设置IBRION = 8，以下为一个适用于的INCAR文件示例：

1
    PREC = Accurate
2
   ENCUT = 500
3
  IBRION = 8
4
   EDIFF = 1.0e-08
5
   IALGO = 38
6
  ISMEAR = 1
7
   SIGMA = 0.2
8
   LREAL = .FALSE.
9
 ADDGRID = .TRUE.
10
   LWAVE = .FALSE.
11
  LCHARG = .FALSE.

其他文件#

KPOINTS：可以使用Vaspkit生成K点网格，建议使用较高的K点密度（如0.01），以确保计算精度。但是如果K点密度过高，可能会导致计算时间过长以及内存不足等问题。（我尝试过使用0.04，也能算出来结果）
POTCAR：使用VASP的POTCAR文件，确保包含所有元素的赝势。

二、运行VASP计算#

按照计算集群的要求，提交VASP计算任务。

三、计算声子谱#

首先，需要计算力学常数。在Vasp计算完成之后，确定”vasprun.xml”中存在hessian矩阵（Hessian matrix），这表明力学常数计算成功。那么就可以使用Phonopy提取力学常数。运行如下命令，得到FORCE_CONSTANTS文件：
Terminal window
```
1
phonopy --fc vasprun.xml
```

获取高对称点信息。可以使用VaspKit的305功能生成高对称点信息。Vaspkit会生成一个名为KPATH.phonopy的文件，其中包含了高对称点的信息。将这个文件的名字改为band.conf。这个文件的内容如下：

1
NPOINTS = 501
2
DIM =
3
BAND = 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.500000 -0.500000 0.500000 0.500000 0.000000 0.000000 0.000000 0.335794 0.335794 -0.335794, -0.335794 0.664206 0.335794 -0.500000 0.500000 0.500000, 0.000000 0.000000 0.500000 0.250000 0.250000 0.250000 0.000000 0.500000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
4
BAND_LABELS = $\Gamma$ X M $\Gamma$ Z Z$_0$ M X P N $\Gamma$
5

6
MP = 30 30 30
7
TETRAHEDRON = .TRUE.
8
PDOS = 1 2 3 4 5 6 7 8, 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72, 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104
9
BAND_CONNECTION = .TRUE.
10
FORCE_CONSTANTS = READ
11

12
# FORCE_SETS = READ
13
# IRREPS = 0  0  0
14
# SHOW_IRREPS = .TRUE.
15
# LITTLE_COGROUP = .TRUE.

将其中的DIM改为你想要的超胞维度（如DIM = 2 2 2，如果不想扩胞，设置为1 1 1），然后在最后添加一行：BAND_FORMAT = HDF5，以便输出HDF5格式的声子谱数据，方便后续绘图使用。

这样设置后，Phonopy会在计算完成后生成一个名为band.hdf5的文件，其中包含了声子谱的数据，可以使用这个文件进行绘图。

计算声子谱。运行以下命令：
Terminal window
```
1
phonopy --dim='2 2 2' -c POSCAR-unitcell band.conf
```
同样的，--dim参数需要与你的超胞维度一致。计算完成后，会得到band.yaml文件，其中包含了声子谱的计算结果。

绘制声子谱#

Phonopy提供了绘制声子谱的功能。可以使用以下命令绘制声子谱：

1
phonopy-bandplot -o phonopy-bandplot.jpg

这将生成一个名为phonopy-bandplot.jpg的文件，其中包含了声子谱的图像。但是这个图太过简陋，如下所示，建议将数据下载到本地进行绘图 以下为一个绘图的Python脚本示例：

Phonopy画图示例

计算热力学性质#

Phonopy还可以计算热力学性质，如比热容、熵等。可以使用以下命令计算热力学性质：

1
phonopy --dim 2 2 2 -t mesh.conf -c POSCAR-unitcell

同样的，--dim参数需要与你的超胞维度一致。计算完成后，会生成一个名为thermal.yaml的文件，其中包含了热力学性质的计算结果。

然后，我们可以使用以下命令从thermal.yaml文件中提取热力学性质：

1
phonopy-propplot --gnuplot thermal_properties.yaml > thermal_properties.dat

这将生成一个名为thermal_properties.dat的文件，使用vcsode可以看到这是一个表格，其中包含了热力学性质的数据。我们可以使用这些数据来绘制热力学性质的图像。其中包含了温度、比热容、熵等信息，可以使用这些数据来绘制热力学性质的图像。其中各列的含义如下所示：

列名	符号	单位	物理含义	公式关系	备注
temperature	(T)	K	温度	—	计算热力学量的温度点
Free energy	(F)	kJ/mol	Helmholtz 自由能（声子贡献）	(F = U - TS)	含零点能（ZPE），用于判断稳定性
Entropy	(S)	J/(K·mol)	熵（振动贡献）	—	描述无序度，T→0 时趋近 0
Heat capacity	(C_V)	J/(K·mol)	定容热容	(C_V = \left(\frac{\partial U}{\partial T}\right)_V)	高温趋近 Dulong–Petit 极限
Energy	(U)	kJ/mol	内能（声子贡献）	(U = F + TS)	包含零点能 + 热激发能

错误处理#

存在虚频#

如果在计算声子谱时发现存在虚频，可能是由于以下原因：

声子谱的计算需要对原胞结构进行高精度的充分优化，否则易出现虚频。可以用如下方式进行优化：
- 设置INCAR文件中的精度参数
```
1
EDIFF=1E-08
2
EDIFFG=1E-3
```
- 使用更高的K点网格进行计算，在Vaspkit中设置更低的数值（如0.01）来生成K点网格。K点数字为奇数时貌似不容易出现计算错误现象。

如何使用Phonopy的DFPT计算声子谱和热力学性质#

Phonopy安装#

Phonopy的DFPT计算#

一、准备VASP输入文件#

1. 准备POSCAR文件#

2. 设置INCAR文件#

其他文件#

二、运行VASP计算#

三、计算声子谱#

绘制声子谱#

计算热力学性质#

错误处理#

存在虚频#

END#

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目录

使用Phonopy的DFPT方法计算声子谱及热力学性质

如何使用Phonopy的DFPT计算声子谱和热力学性质#

Phonopy安装#

Phonopy的DFPT计算#

一、 准备VASP输入文件#

1. 准备POSCAR文件#

2. 设置INCAR文件#

其他文件#

二、 运行VASP计算#

三、 计算声子谱#

绘制声子谱#

计算热力学性质#

错误处理#

存在虚频#

END#

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一、准备VASP输入文件#

二、运行VASP计算#

三、计算声子谱#