密度泛函理论计算软件VASP最全入门干货：四个输入文件逐行详解

VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）是一个基于 Fortran 的从头计算软件包，主要用于进行密度泛函理论（DFT）计算，以处理材料的电子结构。它采用平面波基组和赝势方法，适用于模拟固体、表面、分子和纳米结构的电子、结构和动力学性质。VASP 的主要功能包括电子结构计算、离子弛豫（结构优化）、分子动力学模拟、带结构分析以及各种高级功能如杂化泛函、GW 方法和机器学习力场。它的目的是通过量子力学原理从第一性原理模拟材料行为，帮助研究者预测材料的物理和化学性质，而无需实验数据。VASP 是材料科学、凝聚态物理和计算化学领域的标准工具之一，由维也纳大学开发，是专有软件，需要许可证。

运行 VASP 计算通常需要四个主要输入文件：INCAR、POSCAR、KPOINTS 和 POTCAR。这些文件定义了计算参数、原子结构、k 点采样和赝势。VASP 使用合理的默认值，但这些文件允许用户自定义计算。输出文件包括 OUTCAR（详细日志）、CONTCAR（更新后的结构）和 WAVECAR（波函数）等。下面详细解释每个输入文件的目的、格式以及各行（或部分）的含义和用途。

一、INCAR 文件

目的

INCAR 是 VASP 的核心输入文件，用于控制计算的算法、参数和行为。它决定了 VASP “做什么”和“如何做”，包括电子结构优化、离子弛豫、分子动力学等。如果某些参数未指定，VASP 会使用默认值。但 INCAR 是最常见的错误来源，因此需要仔细理解每个标签的含义。

格式

INCAR 是一个标签格式的自由 ASCII 文本文件。每行通常是一个语句，格式为 标签 = 值。支持多语句在一行（用分号 ; 分隔）、长行续行（用反斜杠 ）、引号内换行，以及注释（用 # 或 !）。空行通常被忽略，但制表符可能引起问题。

各行/标签的含义和用途（常见示例）

INCAR 中的行是键-值对，不是固定顺序。以下是常见标签的详细解释，按类别分组。每个标签后是示例行、值范围和用途。

系统描述标签：

SYSTEM = Rhodium surface calculation 含义：系统名称或描述，为计算体系起名字。用途：仅用于标识，不影响计算。输出文件会回显此信息，便于管理多个计算。

启动和电荷初始化标签：

ISTART = 0 含义：0 表示从头开始计算；1 表示从 WAVECAR 读取轨道。用途：控制计算是否续算。默认 0，用于新任务；用于重启时设为 1 以加速收敛。2 只在计算体积-能量相关曲线的时候用到。3 在重启分子动力学计算的时候使用，同时需要WAVECAR、CHGCAR（用于储存电荷密度信息）文件。

ICHARG = 2 含义：0 代表由WAVECAR计算电荷密度信息，若没有WAVECAR文件，则默认ICHARG = 2；1 代表由CHGCAR文件读取。如果没有CHGCAR文件，则由初猜产生；2 代表由程序初猜产生；ICHARG = 3 在重启分子动力学计算时使用；11/12/13 在做非自洽计算时使用、DOS和能带计算时使用。

电子结构参数标签：

ENCUT = 300.00 含义：平面波截断能量（单位 eV）。 用途：定义波函数扩展的能量上限。通常至少等于 POTCAR 中的 ENMAX，以确保精度。过低导致不准，过高增加计算成本。

ALGO = Normal 含义：电子最小化算法（Normal、Fast、All 等）。 用途：选择优化方法。Normal 是标准 Davidson 算法；Fast 更快但可能不稳定。

NELM = 60 含义：电子最小化步数的最大值。 用途：限制每离子步的电子迭代次数。默认 60，如果未收敛可增大。

EDIFF = 1E-06 含义：电子最小化的能量收敛阈值（单位 eV）。 用途：当能量变化小于此值时停止电子循环。用于控制精度；更严格的值（如 1E-08）用于高精度计算。当EDIFF =0 时，将严格执行NELM电子自洽步骤。

ISMEAR = 0含义：展宽方法（-1 为 Fermi 展宽；0 为 Gaussian；-4/-5 为四面体方法）。 用途：处理部分占据轨道。Fermi 展宽适合金属；四面体适合半导体/绝缘体。不同的值适用于不同的体系：导体，半导体，绝缘体；（ 0 (Gaussian Smearing) 可以满足大部分的体系（金属，导体，半导体，分子））

SIGMA = 0.05 含义：展宽宽度（单位 eV）。 用途：控制展宽强度。过大导致能量不准，过小可能不收敛。典型值 01-0.2。

1）金属 ISMEAR = 1 ； SIGMA = 0.1（默认0.2，也可以用0.05）2）绝缘体或半导体 ISMEAR = 0 ； SIGMA = 0.053）气体分子，原子体系计算： ISMEAR = 0 ；SIGMA = 0.01

离子弛豫/分子动力学标签：

EDIFFG = -1E-02 含义：离子弛豫的力收敛阈值（单位 eV/Å）。负值表示力阈值，正值表示能量阈值。 用途：决定何时停止结构优化。当所有力小于 |EDIFFG| 时停止。

NSW = 20 含义：离子步数。 用途：设置弛豫或 MD 的步数。0 表示只做单点能计算；>0 启用离子运动。

IBRION = 2 含义：结构优化算法（2 为共轭梯度；1 为 准牛顿法RMM-DIIS）。 用途：选择优化器。共轭梯度稳定；RMM-DIIS 更快但可能不稳。

POTIM = 0.5 含义：离子步长（单位 Å，或 MD 时 fs）。 用途：控制离子移动幅度。MD 时为时间步长。

性能优化标签：

KPAR = 4 含义：k 点并行组数。 用途：并行化 k 点计算，提高效率。

NCORE = 4 含义：每个轨道的核数。 用途：优化并行性能。

LREAL = A 含义：使用实空间投影（A 为原子级）。 用途：加速计算，但略微牺牲精度。适合大系统。

提示：VASP 在 OUTCAR 中回显 INCAR 设置，便于验证。标签不区分大小写，但值需精确。

二、POSCAR 文件

目的：

POSCAR 定义系统的原子结构，包括晶胞几何和离子位置。它是计算的起点，支持选择性动力学（固定某些原子）和初始速度（用于 MD）。格式与输出文件 CONTCAR 兼容，用于重启。

格式：

POSCAR 是固定顺序的纯文本文件。各部分按行分隔，有些可选。

各行的含义和用途（示例注解）

以下是典型 POSCAR 的行-by-行解释，使用立方 BN 示例。

第 1 行：注释示例：Cubic BN 含义：系统描述（最多 40 字符）。 用途：标识文件，不影响计算。

第 2 行：缩放因子示例：57 含义：通用缩放因子 s（或三个数分别缩放 x/y/z）。负值表示目标体积。 用途：缩放晶格矢量和笛卡尔位置。单位 Å，确保结构尺寸正确。

第 3-5 行：晶格矢量示例：0 0.5 0.5 0.5 0.0 0.5 0.5 0.5 0.0 含义：三个晶格矢量 的笛卡尔分量（未缩放）。 用途：定义单元胞。实际矢量 = 此 × s。用于计算倒易空间。

第 6 行：物种名称（可选）示例：B N 含义：元素符号列表。 用途：注释，必须匹配 POTCAR 顺序。不允许重复名称（在某些模式下）。

第 7 行：每个物种的离子数示例：1 1 含义：每个元素的原子数。 用途：定义总原子数和分配。顺序匹配 POTCAR。

第 8 行：选择性动力学（可选）示例：Selective dynamics 含义：启用后，每位置行添加 T/F 标志（T=允许移动，F=固定）（如0 0.0 0.0 F F F）。 用途：控制弛豫中哪些坐标可变。适用于表面或缺陷模拟。

第 9 行：位置模式示例：Direct 含义：Direct 表示分数坐标；Cartesian 表示绝对 Å。 用途：指定位置类型。Direct 适合周期系统。

后续行：离子位置（每原子一行）示例：00 0.00 0.00 0.25 0.25 0.25 含义：每个原子的 x y z 坐标（Direct: 分数；Cartesian: Å × s）。如果选择性动力学，添加 T/F。 用途：定义原子位置。顺序按物种数分配（第一行 B，第二行 N）。需至少 7 位精度以保持对称性。

可选部分：晶格速度（MD 重启）示例：从 CONTCAR 复制。 含义：晶格矢量的速度（当单元胞可变时）。 用途：仅用于 MD 续算，不手动编辑。

可选部分：离子速度示例：Direct 后每原子一行速度。 含义：初始速度（Direct: 分数/步；Cartesian: Å/fs）。 用途：初始化 MD。通常用 INCAR 的 TEBEG 热初始化。

可选部分：MD 额外数据 含义：预测-校正坐标和恒温器数据。 用途：仅用于 MD 重启，不编辑。

提示：使用工具如 VESTA 检查结构。精度高以避免对称问题。

三、KPOINTS 文件

目的：

KPOINTS 指定 Brillouin 区中的 k 点采样，用于积分电子结构。如果缺失，使用 INCAR 的 KSPACING。k 点收敛对精度至关重要。

格式

支持自动、正则网格、线模式和显式列表。固定顺序。

各行的含义和用途

不同模式下行不同。以下按模式解释。

自动模式（已弃用）：

第 1 行：注释，如 Fully automatic mesh。用途：描述。

第 2 行：0。含义：自动生成。

第 3 行：Auto 或 A。含义：激活自动。

第 4 行：10。含义：长度参数 ，决定细分。用途：生成 Gamma 中心网格。建议用 KSPACING 代替。

正则 k 点网格（Gamma 或 Monkhorst-Pack，最常用）：

第 1 行：注释，如 Regular k-point mesh。

第 2 行：0。含义：自动计数。

第 3 行：Gamma 或 Monkhorst。含义：网格类型（G: Gamma 中心；M: Monkhorst-Pack）。

第 4 行：4 4 4。含义：沿倒易矢量的细分 N1 N2 N3。用途：定义网格密度。选择比例匹配倒易矢量长度。

第 5 行（可选）：0 0 0。含义：移位 s1 s2 s3。用途：调整网格位置，避免对称问题。

线模式（带结构）：

第 1 行：注释，如 k points along high symmetry lines。

第 2 行：40。含义：每段点数。用途：决定分辨率。

第 3 行：line mode 或 L。含义：激活线模式。

第 4 行：fractional 或 Cartesian。含义：坐标系。

后续成对行：如 0 0 0 Γ 和 5 0.5 0 X。含义：路径端点和标签。用途：生成高对称路径上的 k 点。用于后处理（ICHARG=11）。

显式列表模式：

第 1 行：注释。

第 2 行：4。含义：k 点数。

第 3 行：Cartesian。含义：坐标系。

后续行：0 0.0 0.0 1。含义：x y z 和权重。用途：自定义 k 点，适用于特殊情况如四面体方法扩展。

提示：对称性会减少 k 点（ISYM>0）。Gamma 适合某些晶格以保持对称。

四、POTCAR 文件

目的

POTCAR 包含每个元素的赝势数据，用于描述原子核-电子相互作用。它由单个元素 POTCAR 拼接而成，必须与 POSCAR 顺序匹配。

格式

纯文本，由头信息和表格数据组成。不编辑。

各部分/行的含义和用途

POTCAR 是拼接的，通常不按行手动创建。但理解其内容：

头信息标签：

TITEL = PAW_PBE Ti_pv 07Sep2000 含义：赝势标题，包括类型（PAW）、泛函（PBE）、元素和日期。 用途：标识赝势。

LEXCH = PE 含义：交换-相关泛函。 用途：读入但不控制计算（用 INCAR 覆盖）。

ZVAL = 4 含义：价电子数。 用途：计算总电子数。

POMASS = 47.867 含义：原子质量（原子单位）。 用途：MD 时用于动力学；可调整轻元素。

ENMAX = 400 和 ENMIN = 300 含义：默认截断能量。 用途：建议 ENCUT 值；VASP 用最大值。

EAUG = 600 含义：增强电荷截断。 用途：内部计算。

原子配置块：如量子数 n, l, j、能量和占据。 含义：参考状态定义。 用途：设置赝势参考。

表格数据块：赝势的数值表。用途：核心计算数据。

结束：End of Dataset。

生成方式：cat POTCAR_Al POTCAR_C > POTCAR。重要性：确保计算准确性和可重复性。