求助：如何使用HSE06杂化泛函计算三维晶体的能带结构

hydrogen2333

老师们，请问一下如何使用HSE06杂化泛函计算能带结构，我的计算体系是Li6PS5Cl三维晶体。我从Materials Project上下载好了cif晶体文件（conventional cell），然后使用vaspkit辅助进行了一次结构优化（lattice relaxation）已经收敛，然后又将CONTCAR复制为POSCAR修改了一下INCAR进行了静态计算，接下来应该怎么操作呢？我看到vaspkit的官网上有写使用优化后的POSCAR生成primitive cell和KPATH.in，那我的conventional cell的静态计算是不是白做了呢？看得有点迷迷糊糊的，有一些疑问：
1.我接下来的操作是什么呢？使用primitive cell进行静态计算，然后读取生成的WAVECAR和CHGCAR进行HSE06的能带计算？
2.我之前做的conventional cell的静态计算是不是无意义的？是不是只需要conventional cell的结构优化就可
3.我看网上的众多教程都写的是读取xxx静态计算的CHGCAR和WAVECAR文件进行能带计算，但是我在vasp的官网(https://www.vasp.at/wiki/index.p ... _hybrid_functionals)上发现的警告又是怎么一回事呢？Warning: The electronic charge density must not be fixed for any hybrid calculation, i.e., never set ICHARG=11!
小白还没系统学习过第一性原理计算，可能会犯一些常识性的谬误，恳请老师们解答，谢谢大家

乐平

很多同学最开始做计算的时候，基础知识不牢固。或者是导师自己也不懂，就觉得“计算嘛，模型从网上下载，参数用默认值，或者随便设置一下，扔给服务器就行了”。这种想法非常要不得。

《材料科学基础》或者《固体物理》或者《晶体结构》课程里应该学过，Primitive Cell 是最小重复结构单元的晶胞，称为原胞；而 Conventional Cell 是为了体现晶体对称性建立的尽可能满足最小重复结构单元的晶胞，称为惯用晶胞。通常情况下，原胞中的原子数 ≤ 惯用晶胞的原子数。在求解能带的时候，用的是 Primitive Cell，结构优化的时候，由于原子数相对较少，用 Primitive Cell 也能减少计算量。当然，如果 Primitive Cell 和 Conventional Cell 一样，那么计算耗时就没有什么区别。

你既然用了 vaspkit，就会看到列表里有非常多的功能。

vaspkit 的 6  Symmetry Analysis  --> 602  Find Primitive Cell 功能就能帮你将 惯用晶胞（Conventional Cell） 转换成 原胞（Primitive Cell）。当然，如果二者相同的话，得到的结果只是数值的有效数字的区别。但是，如果二者不同，就会得到原胞的结构，保存为 PRIMCELL.vasp 文件。你可以用 PRIMCELL.vasp 另存为 POSCAR 做结构优化，再用优化得到的 CONTCAR 作为后续能带计算的 POSCAR。
需要注意的是，晶胞参数是用惯用晶胞（Conventional Cell）表示的，所有，结构优化之后，你还需要用 vaspkit 6 Symmetry Analysis  --> 603  Find Standard Conventional Cell 将优化后的 CONTCAR （注意，先把 CONTCAR 另存一份重命名为 POSCAR）转换成惯用晶胞（Conventional Cell），然后再查看晶胞参数。

关于 HSE06 杂化泛函计算能带，vaspkit 到列表里有专门为杂化泛函计算能带的功能 25

1.             \\\///
   
2.            / _  _ \         Hey, you must know what you are doing.
   
3.          (| (o)(o) |)       Otherwise you might get wrong results.
   
4. o-----.OOOo--()--oOOO.------------------------------------------o
   
5. |         VASPKIT Standard Edition 1.5.1 (27 Jan. 2024)         |
   
6. |         Lead Developer: Vei WANG (wangvei@icloud.com)         |
   
7. |      Main Contributors: Gang TANG, Nan XU & Jin-Cheng LIU     |
   
8. |  Online Tutorials Available on Website: https://vaspkit.com   |
   
9. o-----.oooO-----------------------------------------------------o
   
10.         (   )   Oooo.                          VASPKIT Made Simple
    
11.          \ (    (   )
    
12.           \_)    ) /
    
13.                 (_/
    
14. ===================== Structural Utilities ======================
    
15. 01) VASP Input-Files Generator    02) Mechanical Properties
    
16. 03) K-Path for Band-Structure     04) Structure Editor
    
17. 05) Catalysis-ElectroChem Kit     06) Symmetry Analysis
    
18. 07) Materials Databases           08) Advanced Structure Models
    
19. ===================== Electronic Utilities ======================
    
20. 11) Density-of-States             21) Band-Structure
    
21. 23) 3D Band-Structure             25) Hybrid-DFT Band-Structure
    
22. 26) Fermi-Surface                 28) Band-Structure Unfolding
    
23. 31) Charge-Density Analysis       42) Potential Analysis
    
24. 44) Piezoelectric Properties      51) Wave-Function Analysis
    
25. 62) Magnetic Analysis             65) Spin-Texture
    
26. 68) Transport Properties
    
27. ======================== Misc Utilities =========================
    
28. 71) Optical Properties            72) Molecular-Dynamics Kit
    
29. 74) User Interface                78) VASP2other Interface
    
30. 84) ABACUS Interface              91) Semiconductor Kit
    
31. 92) 2D-Material Kit               95) Phonon Analysis
    
32. 0)  Quit
    

复制代码

然后用 251 功能产生KPOINTS

+---------------------------- Tip ------------------------------+
|      See an Example in vaspkit/examples/hybrid_DFT_band.      |
|      Only support KPOINTS generated by using VASPKIT-251.     |
|    PDOS using tetrahedron method will be also output if you   |
| set GET_DOS_FROM_HYBRID_BAND = .TRUE. in the ~/.vaspkit file. |
+---------------------------------------------------------------+
================== Hybrid-DFT Band-Structure ====================
250) Generate KPOINTS Including Irreducible Kmesh and Band Edges
251) Generate KPOINTS for Hybrid Band-Structure
252) Band-Structure for Hybrid-DFT Calculation
253) Projected Band-Structure for Selected One Atom
254) Projected Band-Structure for Each Element
255) Projected Band-Structure for Selected Atoms
256) Projected Band-Structure by Element-Weights
257) Sum of Projected Band for Selected Atoms and Orbitals

0)   Quit
9)   Back
------------>>

你可以先用这个 KPOINTS 在 PBE 泛函下计算能带，再用 vaspkit 1 --> 101 --> STH6 获得 HSE06 杂化泛函的 INCAR

计算得到的结果用 252 功能来提取杂化泛函计算产生的能带

注意，这里无论是 PBE泛函 还是 HSE06杂化泛函 都是用自洽方法得到的能带，和网上写的非自洽方法不同，但是结果是一样的。

hydrogen2333

乐平 发表于 2025-8-11 10:36
很多同学最开始做计算的时候，基础知识不牢固。或者是导师自己也不懂，就觉得“计算嘛，模型从网上下载，参 ...

感谢老师的耐心解答，如沐春风！
我想再想老师确认一下：
1.我使用vaspkit先生成KPATH.in然后再用251功能生成KPOINTS文件，这样的做法是合理的吧？
2.网络上的做法是PBE泛函进行自洽计算随后读入CHGCAR使用HSE06进行非自洽计算能带，这样做可能是为了节省计算资源，老师您的做法是直接一步到位使用HSE06泛函进行自洽计算。在这个计算实例中，自洽计算与非自洽计算的区别在于是否读入已有的CHGCAR电荷密度文件，我理解的是否正确
3.一步自洽计算的方式必须使用vaspkit生成的高对称路径的那个KPOINTS，我注意到vaspkit官网上写的教程是用的PBE自洽+HSE06非自洽两步的方式进行的，但是提到保持KPOINTS不变，读入波函数，为什么PBE自洽计算的时候也需要使用vaspkit生成的高对称路径的那个KPOINTS呢

乐平

hydrogen2333 发表于 2025-8-11 15:10
感谢老师的耐心解答，如沐春风！
我想再想老师确认一下：
1.我使用vaspkit先生成KPATH.in然后再用251功 ...

（1） 非杂化泛函可以用两步，也就是先自洽计算，再非自洽计算（读取自洽计算得到的 CHGCAR）。这种方法用 vaspkit 产生 KPATH.in 改名为 KPOINTS（这时候是 line-mode，每一行是倒易空间里布里渊区的高对称点的坐标值）。此方法可以节约计算时间（尤其是对于较老旧的服务器）。这里可以不用 251 功能。当然，现在的计算服务器的算力已经远远超过20年前的水平了，直接自洽计算原胞的能带对于现在的算力而言没有太大的压力。

（2） 和（3） 对于杂化泛函，由于 VASP 软件的计算算法的问题，不能采用上述方法，只能用自洽计算来硬算。这也是杂化泛函计算能带耗时的关键点。

关于 （3）的进一步讨论。通常情况下，可以按照 vaspkit 官网上的步骤，先算 PBE泛函下的自洽，再读 PBE泛函得到的 WAVECAR 做 HSE06杂化泛函自洽计算得到能带。但是，已经有很多案例（包括我自己，也包括vaspkit 开发者王伟老师）发现，这样算的结果会出现诡异的现象。PBE泛函得到的半导体性质的能带结构，经过上述步骤 HSE06杂化泛函反而算出了金属性的能带结构。我和王伟老师讨论过，最后的步骤确定为用 251 得到 KPOINTS，直接 PBE 然后 HSE06，这样的结果是合理的。当然，正如 （1）最后讨论的，PBE 算能带也可以用 251 产生的 KPOINTS 直接自洽计算获得。

hydrogen2333

乐平 发表于 2025-8-11 22:34
（1） 非杂化泛函可以用两步，也就是先自洽计算，再非自洽计算（读取自洽计算得到的 CHGCAR）。这种方法 ...

再次感谢老师的耐心解答，我大概明白您的意思了：
受制于计算算法，HSE06杂化泛函不能采用ICHARG=11的非自洽计算。
HSE06杂化泛函计算时也不建议读取PBE自洽得到的WAVECAR来加速计算，因为可能出现原因不明的诡异结果。
我仍有一个疑惑的点就是，老师您提到

你可以先用这个 KPOINTS 在 PBE 泛函下计算能带，再用 vaspkit 1 --> 101 --> STH6 获得 HSE06 杂化泛函的 INCAR

以及

最后的步骤确定为用 251 得到 KPOINTS，直接 PBE 然后 HSE06，这样的结果是合理的。当然，正如 （1）最后讨论的，PBE 算能带也可以用 251 产生的 KPOINTS 直接自洽计算获得

那么PBE自洽计算能带的目的是什么呢？是为了近似、粗略的计算能带数值吗，如果与实验值接近（算准了）就不用进行HSE06杂化泛函的计算了，是这个意思吗，老师

乐平

hydrogen2333 发表于 2025-8-12 11:57
再次感谢老师的耐心解答，我大概明白您的意思了：
受制于计算算法，HSE06杂化泛函不能采用ICHARG=11的非 ...

通常 PBE 计算的能带结构对应的带隙小于实验测得的带隙。

用 PBE 算能带是为了跟 HSE06 的能带进行对比

hydrogen2333

乐平 发表于 2025-8-12 14:52
通常 PBE 计算的能带结构对应的带隙小于实验测得的带隙。

用 PBE 算能带是为了跟 HSE06 的能带进行对 ...

嗯嗯明白了，茅塞顿开的感觉啊谢谢老师
PBE泛函的数据算好了，HSE06的一直卡在第五个电子步，可能是实验室机器太老了吧哈哈，杂化泛函的计算量真大啊