求助：如何使用CP2K计算半导体功函数和fermi能级

sobereva

Ahey 发表于 2023-2-16 11:58
感谢老师的指导，请问学生是否可以这样理解：也就是说，
①我在上述的计算中，没有采用smearing，所以CP ...

不同程序的规则不一样，同一个程序在不同情况下的输出也可能不一样，所以不能用“第一性原理软件中...”这么粗略地去说。只能说费米能级在物理上有确切的定义，见https://en.wikipedia.org/wiki/Fermi_level。
由于实际体系的态密度相对于费米能级不是对称分布的，所以费米能级是依赖于温度的。
CP2K里开smearing时可以根据费米能级严格的定义去给你输出当前你指定的smearing温度下对应的费米能级。通常在温度不是很高的情况下，费米能级对温度的依赖性不是很强。另外，如果基于CP2K给出的轨道能级信息用Multiwfn算费米能级的话，即便CP2K里计算时没用smearing也没关系。

卡开发发

Ahey 发表于 2023-2-16 11:58
感谢老师的指导，请问学生是否可以这样理解：也就是说，
①我在上述的计算中，没有采用smearing，所以CP ...

1、零温下基态情况把电子占据最高能级作为Fermi能级是没问题的（这是按照wiki那个链接的定义从化学势的角度看，电子气零温下能严格这么定义），此时你也可以理解为F-D在零温退化到阶跃函数（阶跃处值为1/2）。

2、对于CP2K，输出Fermi能级可能要通过展宽，但并不是说有温度的情况才能定义Fermi能级，其他有些程序中计算Fermi能级可以不使用展宽。展宽大多数情况不是为了得到温度的影响（而且也不是严格的），所以上面提到一般情况而言基态态密度的计算我们应该希望展宽对实际的计算尽可能小，才出现F-D之外形式的展宽或者不使用展宽的一些方案。

3、Fermi能级会随着展宽形式和参数而变化（F-D只是其中一种特例），不只是Fermi能级，电子结构也会受到些许影响。

卡开发发

jiangning198511 发表于 2023-2-16 14:46
1.你可以通过加smearing试试是不是对fermi能级有变化(估计温度很高才能看出差别)，但这个不影响对材料电 ...

1、电子结构会受到影响，但其实较低的电子温度也不会那么敏感，额外提及展宽形式也会有影响。
2、他的k点我看了下还算比较密的，再一个就是真空也会消耗不少计算量。我不确定算出来的晶胞就是这样还是啥原因，按道理g-C3N4存在更小的原胞。所以可能改进的方向可能是这样：
（1）可以使用更小的原胞（如果真的不重构的话）。
（2）使用截断库伦或者其他方法处理静电作用，一定程度减少真空层使用。
（3）k点和空轨道可以测试下是不是一定要这么大。

jiangning198511

卡开发发 发表于 2023-2-17 05:39
1、电子结构会受到影响，但其实较低的电子温度也不会那么敏感，额外提及展宽形式也会有影响。
2、他的k ...

1.请问这里所说的对电子结构的影响具体指什么？我所提及的对电子结构的不影响是说对于体系而言，费米能级的不同定义不影响其从能带角度判断其为导体，半导体或者绝缘体。比如LZ提到的例子，虽然两种软件给出的费米能级的位置不同(一个是价带顶，一个在能隙间)，但应该不影响其Gap的大小
2. 在什么情况下需要考虑电子温度的影响？，在常温下（300K）时，电子温度的影响应该非常小

卡开发发

jiangning198511 发表于 2023-2-17 09:25
1.请问这里所说的对电子结构的影响具体指什么？我所提及的对电子结构的不影响是说对于体系而言，费米能级 ...

1、如果你单纯平移能级，那确实无所谓。如果你指的是已经拿到一个自洽过程当中没使用展宽方法或者使用了很小的展宽的能级再去进行展宽画DOS，那也是没影响的。但是自洽计算阶段不同展宽大小会影响到体系的电子结构，甚至影响力的计算，过大的展宽值（也看具体展宽形式）对于窄带结构就可能被算成金属。

2、确实，一般300K时候展宽的影响是比较小的。

Ahey

感谢各位老师们的回答，为了加深理解，我在昨晚和今天早上做了一些计算和测试，得出了一些结论，更新放在顶楼了，还请老师们指正

Ahey

卡开发发 发表于 2023-2-17 05:39
1、电子结构会受到影响，但其实较低的电子温度也不会那么敏感，额外提及展宽形式也会有影响。
2、他的k ...

感谢老师指导，我再去测试一下QE的计算，当时计算的时间确实很长，48核算了3天，也怪我当时没有经验，盲目地取非常密的k点，晶胞也取得不是原胞

Ahey

sobereva 发表于 2023-2-17 02:36
不同程序的规则不一样，同一个程序在不同情况下的输出也可能不一样，所以不能用“第一性原理软件中...” ...

感谢老师指导，我这就去研读一下multiwfn的手册

卡开发发

Ahey 发表于 2023-2-17 13:39
感谢各位老师们的回答，为了加深理解，我在昨晚和今天早上做了一些计算和测试，得出了一些结论，更新放在顶 ...

原则上说展宽不宜太大，此时情况才不是很敏感，大了其实也会产生影响。展宽本身确实主要是针对金属的情况，但不表示半导体不可以使用，尤其是要选择合理的展宽形式。按道理Gaussian型的展宽是万用一些的（专用于金属那些展宽反而不适合半导体使用），不过CP2K只支持F-D展宽，问题倒是也不大，尤其是gap宽的时候影响会更小一些。

Ahey

卡开发发 发表于 2023-2-17 17:37
原则上说展宽不宜太大，此时情况才不是很敏感，大了其实也会产生影响。展宽本身确实主要是针对金属的情况 ...

好的，谢谢老师！

汪杰

sobereva 发表于 2023-2-17 02:29
CP2K不同情况下给出的费米能级不一样，需根据理论知识判断什么时候给出的有意义。
开发者在CP2K的Google ...

请教一下老师，物理学中有关于本征半导体的费米能级的推导，结果是费米能级应该位于1/2处，并且受到电子与空穴的有效质量还有温度的影响（公式就不打了），但是对于本征半导体来说，电子与空穴都是成对产生的，也就是说，无论温度多少，费米能级都应该在禁带中央。
上面计算的材料，按照道理来说都是本征半导体，没有掺杂等因素，为什么会有费米能级偏离中央的情况？是因为软件的算法导致的吗？我对软件不太了解，但是从最基本的理论结果来看，软件给出的结果似乎偏离了理论。为什么偏离了这个理论，是我目前想不透的地方，希望老师能教一下

sobereva

汪杰 发表于 2023-2-28 18:57
请教一下老师，物理学中有关于本征半导体的费米能级的推导，结果是费米能级应该位于1/2处，并且受到电子 ...

我前面回帖里已经清楚说了费米能级是怎么确定的。除非DOS相对于费米能级是对称分布的（事实上不是），否则费米能级不恰好在正中央。说在正中央的只是个近似而已

Eudaimonia

请问一下你的真空能级是怎么得到的
我尝试了一下使用Multiwfn对cube文件进行处理，选择13号功能下的18，对Z方向的所有范围进行积分，之后点1得到积分曲线，但是纵轴上的数据和out文件中输入的能量对应不太上，应该如何取真空能级呢？

ykhuang

功函数print V_hartree.cube，然后做二维积分，工具应该是cubecruncher.x，近似真空区为真空能级=无限远，减去Efermi. 这部分内容在XPS原理

chen0201

请问cp2k可以这样算功函数吗？正确吗？