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2019-12-04 能带数-状态数-轨道数-电子数-TDOS-

2019-12-04 能带数-状态数-轨道数-电子数-TDOS-

作者: BreezeSun | 来源:发表于2019-12-04 22:17 被阅读0次

题记:花了一天时间琢磨处一点东西,不知道对不对,希望有老师看到发现有错误地方可以给我评论指正,十分感谢!


首先,能带怎么来的?

能带是由于周期性条件加上分子轨道理论所产生的。

一个H原子,只有一个能级s;当有两个H时,由于分子轨道理论,会产生成键态和反键态;当有无数H时,就产生了能带。


状态数,能带数,轨道数,电子数

状态数:k的个数,能级的个数。

k有多少个?k的个数等于宏观晶体中微观单胞的个数。

先说上面H原子链:H原子链(即加入了周期性条件的单个H原子)产生了分子轨道是n个,即有n个能级,其中每一个能级是一个状态,所以k的个数=状态数=单胞数=能级数。(注意:此处单胞的s轨道扩展出了一条能带,由无数能级点或k点对应能级密排形成)

再说计算中的单胞(多原子POSCAR):对于每一个单胞内若含有N个原子,则这一个单胞中每一种原子轨道(不同原子不同能级s、px、py、pz)都会产生有限个数(即N)的分子轨道,能产生多少个呢?k个呗。但是注意这里的k不是无限个,而是有限的N个。为了和上面的k(H原子链的个数)区别,我们计单胞中的状态数为K(上面H原子链的情形单胞即1个H,即对应K其实=1)。这里单胞个数N=单胞状态数K=初始能级数。(这里可以理解为没有加入周期性条件的单胞初始能级数)

再说VASP计算中使用的k点:VASP计算时候要取k点,这个k点到底是什么呢?其实就是周期性条件加入后,考虑的宏观晶体中单胞(POSCAR结构)的个数。换句话说就是,是k而不是K。K是POSCAR中原子个数决定的。

能带数:分子轨道的数目。即轨道数。

考虑周期性的结果就是,初始能级会扩展成能带。能级轨道(电子云)重叠的越厉害,能带宽度越宽。(这里我们先不管s和p之间产生的初始分子轨道能级以及能级宽展成能带时的升降趋势)

取k点相当于对单胞扩胞,计算扩胞后的宏观晶体(怪不得单胞过大只取一个k点也是可以的)。其实单胞中含有多个原子的情况就相当于扩胞了,你看看一个H原子的单胞,只有一个能级;当含有N个原子的单胞时候就有了K个初始能级,你看初始能级产生的能级结构多像能带啊!只不过不够密罢了,不然VASP计算时候怎么会另外取k呢!

我们来看看,取k点产生的效应(红色)。首先我们要明确一点就是,扩胞会发生能带的折叠。也就是说把折叠能带打开,就还是一条能带。当向有多个能级的初始单胞中插入k点时,相当于在“扩胞后”单胞布里渊区插k点,当把能带展开时,会发现这些k点插在了初始能级之间。所以k点取得越密,对应的DOS或BAND就越准确(取得少了VASP自动数学插值呗)。

电子数:状态数*2或能级数*2

先说什么是DOS:能态密度,在一定能量区间里状态的个数,即能级(能带中的一个个的能级点)的个数。

既然取了k相当于扩胞,即DOS数值会根据k点数成倍增加,那么VASP计算完后应该会对总DOS(有K*k个能级点)进行处理(除以插入k的个数)得到单胞DOS。单胞的DOS从积分到费米能级处得到了单胞填充的状态数K,K*2就是单胞电子数。(这里注意,VASP计算中得到的DOS经过了处理,即一个状态设置为占据数为2,因此VASP计算得到的TDOS.dat文件积分到费米能级处的数值就已经是电子数了)


TDOS-PDOS

计算中发现各PDOS积分到费米能级处的数值之和N1不等于总电子数N0,而TDOS积分到费米能级处数值N2等于总电子数N0。

分析VASP计算输出文件,vasprun.xml文件中‘set somment= "spin1"’字段下面的电子积分发现,到费米能级处的电子数等于体系电子总数N0,如果继续能量高的地方积分,电子数就超了,和TDOS积分情况一致。计算DOS后OUTCAR中最后会有关于'total charge'字段下关于各原子轨道下的电荷数,其数值之和不等于总电子数,仔细分析之后发现和PDOS的结果一致。而后有分析了PROCAR文件中的各个轨道的占据态(分析的CO的结果),发现和PDOS的结果一致。后来把各PDOS在整个能量范围积分,积分值之和就和N0一样了。

原来是因为VASP做PDOS投影(projection)时候仅向各轨道投影了一定量的态,这个量即各轨道费米能级以下的电子数(状态数)。其实如果定性分析,这种投影就够了,因为各PDOS的总体形貌不变,不过整体压扁了。

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