第一性原理软件介绍_第一性原理计算软件

DFT软件介绍

  密度泛函理论（density functional theory，简称DFT）是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。 密度泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理和计算化学领域最常用的方法之一。
DFT介绍：https://zhuanlan.zhihu.com/p/40527652
关于DFT依然推荐DAVID S SHOLL的密度泛函理论，英文版，但是很容易上手看懂！
基于DFT界内有很多计算软件或者软件包可以使用，就我听过的做个简单介绍：
1.Material Studio(MS)
  少有的在windows系统上操作的计算模拟软件，具有很全面的强大功能，是一款集模型搭建、计算和后处理于一体的商业软件。MS有自己的模型数据库(模型种类较少，不如入门指南中的一些数据库好用)，是目前做第一性原理计算的一款比较热门的软件。MS的操作界面简单明了，在windows系统下可以全程鼠标操作完成计算。缺点是其昂贵的版权使用费，听说购买一套完整的MS软件需要上百万的经费，再加上很低的入门门槛，因此在业内普遍接受的程度就没那么高。但是！MS是做计算中不可缺少的一个环节，可以说几乎没有软件可以替代MS在整个建模过程中的地位。虽然计算费用昂贵，但是他的建模操作界面是面向大众公开使用的，我的模型搭建以及修改基本上都是在MS上完成的。
下载安装的话如果课题组有购买版权就好说了，没有的话建议网上搜一搜MS安装教程，相关内容有很多。

2.Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)
  这是目前比较受大众欢迎的一款计算软件包，用于从第一原理对原子尺度材料进行建模，例如电子结构计算和量子力学分子动力学。
  很惭愧，我的VASP是在师姐的帮助下编译安装的，因此对于环境配置部分我还并不是很了解，带我学习以后在总结出来吧。软件包的下载可以找课题组的师兄师姐们要，也可以自己去官网下载编译(好像是需要用户登陆)。VASP是我目前主要使用的计算软件，和开发组购买的话价格大概在三四万人名币左右，找代理的话再五六万左右，价格相对来说还算可以接受，对于周期性体系、金属及团簇等体系有着优异的计算性能。

3.CP2K
  CP2K安装教程：https://github.com/mkrack/cp2k/blob/master/INSTALL.md
  对于大多数人来说CP2K是很友好的，虽然软件的使用是在inux版本下完成的，需要一定的基础，但是！它是开源免费的！甚至还拥有计算速度快，功能全面，以及可以共享大佬们的脚本代码等很多优势。但是对于初学者来说很不友好，学习资料少，学起来比较困难，如果长期从事计算的话，还是有必要在掌握一定的计算经验以后去攻克一下的。

4.Quantum ESPRESSO（QE）
  Quantum ESPRESSO是一套基于密度泛函理论、平面波和赝势集成的开源计算机代码，用于纳米级的电子结构计算和材料建模，可以做基态计算，结构优化、分子动力学，设置电化学和特殊边界条件，响应属性 （DFPT），计算光谱特性，量子输运等。QE是用户非常多、极为流行的第一性原理程序，而且完全开源免费，也是我听师兄师姐们说道最多的一款软件！我准备完成手头工作后也去学习学习QE软件！

5.Gaussian
  Gaussian软件的功能强大，主要包括过渡态搜索、键能、分子和原子轨道、振动频率、化学反应机理等。Gaussian软件在分子、原子尺度的模拟上具有比VASP、CASTEP更高的精度，但这有限制它在多原子体系计算上的应用，因为使用Gaussian进行大量原子计算所消耗的资源非常大。我对这款软件也不是特别了解，整理一下网上看到的观点，Gaussian软件功能全面，一般性的化学问题都能计算；图形界面友好；跨平台，使用简单；结构和能量计算准确，精度高。缺点：振动计算效率低；输出信息繁杂；Windows平台资源限制；收费。这款软件的价格和VASP应该是差不多的，大概在三四万左右，发文章的话需要版权的，要不然会引发大问题！

6.ORCA
  下载参考网站：http://sobereva.com/451
  开源的量子化学软件，比较友好地一点是ORCA既有linux版本，也有windows版本。ORCA是一款对学术用户免费但不开源的量子化学程序，发展迅猛，流行程度越来越高，用户越来越多。值得注意的一点是在计算中，量子化学和第一性原理的软件是有很大差异，比如周期性结构适用于第一性原理软件而不适用于量化软件。感兴趣的话可以自行试着学习一下，开拓一下知识面，寻找自己喜欢的，适合自己的计算软件

7.WIEN2K
  WIEN2K程序包是密度泛函理论进行固态电子结构计算的软件，基于全势（full-potential）线性缀加平面波（linearized augmented plane wave,LAPW）+局域轨道（local orbitals）方法。由于WIEN2K进行的是全电子计算，其精度比基于平面波的VASP和CASTEP更高，但计算的资源消耗也更大。

我在第一性原理计算中使用的软件

  因为我是在windows系统下完成编译VASP计算的，所以主要介绍我在学习以及完成一次计算过程中使用的软件，如果是Liunx或者其他系统，可能不太实用，具体的我还不是很了解，见谅。可以自行学习bilibili刘锦程的视频讲解以及他的个人网站世事如棋，我的很多计算都是在视频中学到的，大家也可以撑着有时间多看一看，我也还有好多内容还没有看，一起加油！下面介绍我主要使用的软件：
  1 MS：建模使用MS软件，如何搭建一个Fe3O4单胞的模型呢，我在计算入门指导中做过介绍，此处不再赘述，主要包含了MS的文件模型搭建和VASP必要的文件输入。MS我主要使用的功能包括界面的搭建，真空层的建立等等，这些操作分别是在工具栏中的build中实现。
  学习视频：硅的孪晶界面搭建
  2 VESTA：Visualization for Electronic and STructural Analysis）是一款用于晶体结构与电子结构可视化的软件，它可以用来将cif格式的晶体结构文件转换为POSCAR的形式以便进行VASP计算，除此以外，它还具有非常丰富的功能，包括但不限于编辑、获取各类晶体结构信息，绘制电荷密度、ELF图像（等值面）及二维切面等等。
  学习网址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/138124013
  官网下载：http://jp-minerals.org/vesta/en/download.html
  3 Notepad++ ：这一款文本编辑的软件，类似于记事本一样，但是从我开始接触第一性原理到现在，所有大佬都不推荐使用记事本编译输入文件和输出文件，整理一下推荐使用的文本编译器，主要包含：SublimeText、VSCode、ATOM、Notepad++等等，我使用的是notepad++，总体感觉和记事本类似，直接编译保存即可。
  官网下载：https://sourceforge.net/projects/notepadplusplus.mirror/
  4 Xshell7：是一个强大的安全终端模拟软件，它支持SSH1, SSH2, 以及Microsoft Windows 平台的TELNET 协议。Xshell 通过互联网到远程主机的安全连接以及它创新性的设计和特色帮助用户在复杂的网络环境中享受他们的工作，可以在Windows界面下用来访问远端不同系统下的服务器，从而比较好的达到远程控制终端的目的。除此之外，其还有丰富的外观配色方案以及样式选择。我对VASP的编译是在windows系统下进行，因此需要借助Shell平台连接系统内核，通过一些简单的Shell指令完成VASP的使用。主要基于天河超算服务器完成计算的。通过超算平台完成计算有很多好处，对于初学者比较友好，很多的环境变量和模块都在MPI库中，只需要module add即可，刚开始做计算是不用学习环境配置以及一些好玩的比如批量处理脚本之类的，怕是会云里雾里揣摩不清楚。计算效率高，编译容易，提交任务即可。但是需要收费，一个核时一块钱。
官网下载：https://www.xshell.com/zh/xshell/
  5 SSH Secure Shell Client：作为一个Windows操作系统用户，每天需要对linux服务器进行操作、文件传送等，那就需要一款高效Secure Shell软件（简称SSH的）。实际上，SSH是一个网络协议，允许通过网络连接到Linux和Unix服务器。
  下载地址：https://www.onlinedown.net/soft/10002183.htm
  使用说明：https://blog.csdn.net/zhailihua/article/details/75950012
  6 Oringin：是一款数据分析和绘图的软件，具备统计、峰值分析和曲线拟合等分析功能，可以绘制出二维和三维图形，是科研道路上处理数据必不可少的软件！绘制DOS图，PDOS图都需要用到这款软件。
  学习网址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/402268372
  官网下载：https://www.originlab.com/
  7 VASP：是维也纳大学Hafner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包。VASP通过近似求解Schrödinger方程得到体系的电子态和能量，既可以在密度泛函理论（DFT）框架内求解Kohn-Sham方程(已实现了杂化（hybrid）泛函计算)，也可以在Hartree-Fock（HF）的近似下求解Roothaan方程。此外，VASP也支持格林函数方法（GW准粒子近似，ACFDT-RPA）和微扰理论（二阶Møller-Plesset）。VASP使用平面波基组，电子与离子间的相互作用使用模守恒赝势（NCPP）、超软赝势（USPP）或投影缀加波（PAW）方法描述。此外，VASP使用高效的矩阵对角化技术求解电子基态。在迭代求解过程中采用了Broyden和Pulay密度混合方案加速自洽循环的收敛，并且利用对称性可方便地设定Monkhorst-Pack特殊点，可用于高效地计算体材料和对称团簇。Brillouin区的积分使用模糊方法或Blöchl改进的四面体布点-积分方法，实现更快的k点收敛等。（来自百度百科：VASP）
  8 Endnote：文献收纳的软件，特别适用于科研！刚开始读文献的时候使用小绿鲸，知云有助于快速翻译，快速读懂文献，但是难以避免的自动翻译多少是存在一些错误的，有时候有些小错误会让你误解文献作者想要表达的含义，因此还是建议慢慢尝试着自己读一读英文文献(虽然我现在也还需要借助翻译软件，但总归是在进步)。我主要应用了其分组归纳，导出参考文献的功能。很方便的一点它和SCI网站直通，可以直接导出Endnote所需要的格式，很方便。学会使用Endnote，在论文的编辑过程，整理文献过程都会比手动输入在格式和速度上具有优势！
  学习网站：https://zhuanlan.zhihu.com/p/110516363
  下载网站：https://wvpn.ustc.edu.cn/https/77726476706e69737468656265737421fcfe43d232237c53300d8db9d6562d/%E7%94%B5%E5%AD%90%E8%B5%84%E6%BA%90/endnote%E6%96%87%E7%8C%AE%E7%AE%A1%E7%90%86%E8%BD%AF%E4%BB%B6/（需要登录科大VPN）