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starspider

铁杆木虫 (正式写手)

[求助] 关于SOC计算磁性的疑惑已有1人参与

请教大家一个问题,是关于SOC计算磁性的。我用两种方式计算体系磁矩,得到的结果差别挺大。
(1)读取静态自旋极化CHGCAR的静态自洽计算(不读取WAVECAR),设置LSORBIT=.TRUE.、ISTART=0、ICHARG=1,得到磁矩2.88μB(静态自旋极化的结果是3μB)。
(2)不读取上述文件的静态自洽计算,设置LSORBIT=.TRUE.、ISTART=0、ICHARG=2,得到磁矩0.86μB,能量比上一种低0.03eV。
其它参数如截断能和收敛精度都是一样的。(计算中设置ISYM=0或是采用默认值对结果影响并不大)
请问大家那种计算方式得到的结果更合理可靠?
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shuilan410

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【答案】应助回帖

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感谢参与,应助指数 +1
starspider: 金币+10, 有帮助, 谢谢~ 2018-10-11 13:39:56
starspider: 金币+20, ★★★很有帮助 2018-10-12 13:28:42
starspider: 金币+10, 有帮助 2018-10-15 12:48:20
第一,楼主你没说磁性离子是什么,首先要看下离子的静磁矩是多少,如果能找到相关文献,应该很容易确定化合价和静磁矩的。
如果没有相关文献,也可以根据该离子在其他化合物中的价态和磁矩,有个预先的判断。
第二,你也没说你设置的磁性是什么样的。
如果是FM的话,读取共线的计算结果应该没什么问题的。但如果是AFM,可能就复杂一些了,这时候可以读取非磁的计算结果,就只读入charge density不读入spin polarized density。
第三,一般来说能量比较低的那个更可靠,但也不是绝对。
第一性原理计算不是万能的,有些计算本身会有问题,或者有些参数选择不合适会影响计算结果。

楼主第一个算的磁矩是2.88μB,第二个算的是0.86μB。很像是对应一个高自旋态,一个中自旋态。所以还是要参考具体计算的材料,具体的磁性离子,才能知道到底哪个更可靠些。
2楼2018-10-10 23:42:52
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starspider

铁杆木虫 (正式写手)

引用回帖:
2楼: Originally posted by shuilan410 at 2018-10-10 23:42:52
第一,楼主你没说磁性离子是什么,首先要看下离子的静磁矩是多少,如果能找到相关文献,应该很容易确定化合价和静磁矩的。
如果没有相关文献,也可以根据该离子在其他化合物中的价态和磁矩,有个预先的判断。
第二 ...

谢谢你的解答,抱歉我漏掉了一些信息。
(1)现在算的这个体系没有过渡族或者稀土元素,磁性的产生是由结构缺陷处不成对的电子产生的。
(2)每个原子的磁矩如图所示,其中正负交替分布的情况看,应该是AFM吧。但是其中负的磁矩数值较小,是不是可以忽略不计,近似看成FM?
(3)目前还是有两个地方搞不明白,一是SOC对体系磁性的影响到底能有多大,如果影响不大,那更倾向于接受2.88μB的结果(静态自旋极化的结果是3μB),如果影响很大,那就应该是能量较低的0.86μB。二是CHGCAR的读取与否对计算结果能有多大的影响,有人说“读入自旋极化的CHGCAR再打开SOC,并没有真正的引入SOC”,这种说法我不太理解,请问你怎么看?
关于SOC计算磁性的疑惑
原子磁矩分布

长缨在手,何时缚住苍龙?
3楼2018-10-11 13:39:14
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shuilan410

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引用回帖:
3楼: Originally posted by starspider at 2018-10-11 13:39:14
谢谢你的解答,抱歉我漏掉了一些信息。
(1)现在算的这个体系没有过渡族或者稀土元素,磁性的产生是由结构缺陷处不成对的电子产生的。
(2)每个原子的磁矩如图所示,其中正负交替分布的情况看,应该是AFM吧。但 ...

其实,缺陷引起的磁性我不懂啊。。。我只算过磁性离子的,所以我后面说的话完全只做个参考啊。

看你这个结构,也就是缺陷最近邻的三个原子才有磁矩的,其他的基本上是0。那共线得到的3μB的磁矩,是总磁矩吧,所以这个体系是有三层,还是怎样?

如果是三层的话,那个你共线算的应该磁矩都指向一个方向的,那你读入共线的CHGCAR进行soc计算,最后输出的磁矩也基本上是都指向一个方向的,所以总磁矩还是接近3μB。
但没有读共线的CHGCAR的话,磁矩会自洽到一个稳定的态,所以输出磁矩变成了0.86μB。你可以看下第二个计算的输出磁矩,看是不是有一层的自旋指向是跟其他两层是反的。如果是,那可能是因为soc的作用,导致层间相互作用增强,层间出现了反铁磁排序。

关于你的疑问
1. soc对体系的影响有多大,我也在不知道。希望有大神来解释。
我基本上做的都是3d,4d, 5d的过渡金属化合物,soc是按这个顺序逐渐增强的。所以,我不清楚楼主计算的体系中,soc究竟是怎么样影响磁性的。
2. CHGCAR的读取对对计算结果的影响
vasp手册建议读取共线的CHGCAR和WAVECAR, 这样会加快计算速度。但是不读取,也可以通过自洽得到合理的结果。
大概情况就是,读取共线的CHGCAR,进行非自洽计算,自旋的指向是不会变的,都会限制到你设置的SAIXS方向;如果进行自洽计算,磁矩的指向可能会变,只不过这里会给一个初始值,但最终结果是会找到一个能量比较低的态。
不读的话,就是没有初始值,完全自洽得到最终结果。这样计算时间可能会久,也可能会跑偏到一个亚稳态,但亚稳态能量会比基态高啊。
还有一种做法,就是读入非磁的CHGCAR。这样会给出电子密度,加快计算速度,然后磁矩完全自洽得到。
至于这些方法,简单的体系,基本上得到的结果都一样的。复杂的体系,就要都尝试下,但最重要的还是对这个材料的了解和判断。

最后,楼主你要想一下,为什么0.86μB的那个计算得到的能量更低。

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4楼2018-10-11 22:28:41
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starspider

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4楼: Originally posted by shuilan410 at 2018-10-11 22:28:41
其实,缺陷引起的磁性我不懂啊。。。我只算过磁性离子的,所以我后面说的话完全只做个参考啊。

看你这个结构,也就是缺陷最近邻的三个原子才有磁矩的,其他的基本上是0。那共线得到的3μB的磁矩,是总磁矩吧,所 ...

计算的模型如图上那样只有一层。我的理解是空位附近的三个原子都存在不成对的电子,每个电子贡献1μB的自旋磁矩(三个电子都自旋向上,呈高自旋态),总和就是3μB(当然,如果考虑到周围部分原子的反铁磁情况,总磁矩也是2.9xxx),这种理解和自旋极化计算得到的结果是一致的。(图上显示的是Atomic partial magnetic moments,所以空位附近三个原子磁矩是0.349而不是1)

关于磁性的计算,我想最基本的方法应该是采用自旋极化吧,我觉得这主要是因为大部分材料的磁性都是通过电子的自旋磁矩来实现的,FM或者AFM都是在讲电子自旋的排列方式。但是在考虑SOC后,我的理解(当然也还比较肤浅)是,考虑到了电子轨道磁矩对磁性的影响,通常轨道磁矩具有一定的抗磁性,所以考虑SOC后磁矩减小没毛病,但是减小到0.86μB我就觉得有点不好理解了。所以你最后那个问题问的很好,为什么0.86μB的计算能量更低,是物理意义上SOC导致的稳定态还是计算方式上的偏差,这个我现在也讲不清楚...

最后还想请教一个基本的问题,我们在用VASP计算磁性时,设置ISPIN=2,是不是有考虑外磁场的因素呢?我们通常讲的自旋向上、向下不都是相对于外磁场的方向么...

PS.读入非磁的CHGCAR的建议很好,我准备试试~
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5楼2018-10-12 13:27:35
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shuilan410

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5楼: Originally posted by starspider at 2018-10-12 13:27:35
计算的模型如图上那样只有一层。我的理解是空位附近的三个原子都存在不成对的电子,每个电子贡献1μB的自旋磁矩(三个电子都自旋向上,呈高自旋态),总和就是3μB(当然,如果考虑到周围部分原子的反铁磁情况,总 ...

高自旋或者低自旋,是讲单个离子的电子排布。
FM或者AFM排布,说的是不同离子间由于相互作用导致的自旋平行或者反平行排列,是总的自旋。

只ISPIN=2的时候,不会考虑外加磁场吧。我们讲的自旋上、下是相对的,只是说自旋是平行排列或者反平行排列的,讲单个电子的自旋指向没有意义吧
只是当有外加磁场时,我们习惯性把顺着磁场方向的自旋称为向上,逆磁场方向称为向下。

还有,3μB和0.86μB是总的磁矩,楼主有没有看下,每个原子的输出磁矩。
是单个原子的磁矩相差很大,还是说由于自旋指向不同

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6楼2018-10-12 21:40:08
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starspider

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6楼: Originally posted by shuilan410 at 2018-10-12 21:40:08
高自旋或者低自旋,是讲单个离子的电子排布。
FM或者AFM排布,说的是不同离子间由于相互作用导致的自旋平行或者反平行排列,是总的自旋。

只ISPIN=2的时候,不会考虑外加磁场吧。我们讲的自旋上、下是相对的, ...

OUTCAR里显示的每个原子的输出磁矩和图上标注的是一致的。

读入非磁CHGCAR的静态计算我做了两个,分别是自旋极化和SOC。自旋极化的结果是3μB,SOC的结果是2.7798μB。总的来看,这个计算结果和之前提到的基本一致,读入非磁CHGCAR的SOC的能量还是比不读CHGCAR的高0.03eV。
长缨在手,何时缚住苍龙?
7楼2018-10-15 11:06:42
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