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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 计算模拟区 » 第一性原理 » Vasp&MedeA » 【转帖】强烈推荐使用phonopy计算声子谱
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【奖励】 本帖被评价22次，作者gavinliu7390增加金币 19.2 个

gavinliu7390

木虫 (著名写手)

[资源] 【转帖】强烈推荐使用phonopy计算声子谱 已有2人参与

原帖地址：http://blog.zhuli.name/archives/6679
这个程序是利用超晶胞冻结声子计算声子谱。
优点：方便，高效，准确。


1. Phonopy 简介
Phonopy 是一个由 python 实现的的晶体声子分析程序。它是目前提供了 VASP 的 Wien2k 的接口用来计算原子受力。它的主要功能有：

计算声子色散谱；
计算声子态密度，包括分立态密度；
声子热力学性质，包括自由能，热容量，焓；

Phonopy 通过力常数的方法计算声子谱。力常数由计算原子在超晶胞中被移动后的受力得到(Parlinsk-Li-Kawasoe 方法)。

同样类型的程序还有 phon, fropho, phonon. 其中 phonon 是商业软件，卖的很贵，fropho 和 phonopy 的代码其实都是来自于 phon, fropho 是为了代替 phon 而开发的，目的是为了使用 phon 更方便，phon 和 fropho 主要都是由 fortran 开发的，而现在 fropho 已经停止开发，由 python 开发的 phonopy 代替了 fropho, phonopy 在使用上更为方便，在计算量上更为减少。因为 phon, fropho 和 phonon 在移动原子位置时都是一次只移动一个原子的一个方向，而 phonopy 则可以一次移动一个原子的多个方向，所以和其它程序相比, phonopy 最多可以减少 2/3 的计算量。

2. Phonopy 的安装
phonopy 主要由 python 开发，其中的找晶体空间群功能是由 C 语言(spglib)实现。在安装 phonopy 时需要安装以下它所依赖的软件包：

Python 的开发包
numpy , numpy-dev
matplotlib
python-lxml
python-yaml

如果是使用的 Ubuntu/Debian 系统只需：
sudo aptitude install python-dev python-numpy \
python-matplotlib python-tk python-lxml python-yaml

如果是 OpenSUSE 则可以去 http://software.opensuse.org/search 搜索下载安装相关软件包。

去 https://sourceforge.net/projects/phonopy/ 下载 phonopy 的最新软件包.

解压后进入 软件包的 c 目录，

su
python setup.py install

编译安装所需要的 python 模块。

将 PATH/phonopy-0.6.1 $PATH 里：
比如： export PATH=~/opt/phonopy-0.6.1:$PATH

3. Phonopy 的简单使用
下面我以 BC5 为例说明如何和 VASP 做接口计算声子谱：

a, 建立超胞
准备 POSCAR 文件
单胞和原胞都可以

准备 INPHON 文件

ATOM_NAME = B C
NDIM = 2 2 1
LSUPER = .TRUE.

简单说明：
第一行为原子符号名 B C ，注意要和 POSCAR 中的顺序相同。
第二行为要建的超胞的维数。
第三行是指要建立移动原子的 POSCAR.

然后输入命令：
phonopy.py

就会输出 DISP, POSCAR-* (001, 002, 003, …)
在本例出会输出 12 个 POSCAR-*, 依次为 POSCAR-001,…POSCAR-012

b, 计算力常数
将这些 POSCAR-* 做 SCF, 将输出文件 vasprun.xml 保存下来。
我的计算脚本为：

#!/bin/sh

for a in 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
do
cp POSCAR-0$a POSCAR
/opt/intel/impi/3.1/bin64/mpiexec -n 8 /share/apps/vasp/bin/vaspmpi_mkl10_O1 >>out.vasp 2>>err.vasp &
wait
cp vasprun.xml vasprun.xml-0$a
done

我的 INCAR 为：

SYSTEM = BC5
PREC = Accurate
ENCUT = 520
EDIFF = 1e-5
NSW = 0
ISMEAR = 0
SIGMA = 0.05
LCHARG = FALSE
LWAVE = FALSE

这样计算结束后会得到 vasprun.xml-001, …, vasprun.xml-012

然后，执行命令：
phonopy.py -f vasprun.xml-*

就会得到文件 FORCES

c, 得到声子谱
有了文件 FORCES 后就可以计算声子谱了，这时将 INPHON 改为以下内容：

ATOM_NAME = B C
NDIM = 2 2 1
ND = 7
NPOINTS = 51
QI = 0.0 0.0 0.5 0.0 0.5 0.5 0.0 0.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.5 0.5 0.0 0.5 0.0 0.0 0.5 0.0 0.5
QF = 0.0 0.5 0.5 0.0 0.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.5 0.5 0.0 0.5 0.0 0.0 0.5 0.0 0.5 0.5 0.5 0.5

简单说明：
ND 是指有几条路径；
NPOINTS 是指在每两个高对称性点间插入多少个点，包括边界；
QI 和 QF 给出路径的起始和结束点。

其中我用的 Q 点顺序为：
0.0 0.0 0.5 Z
0.0 0.5 0.5 T
0.0 0.5 0.0 Y
0.0 0.0 0.0 G
0.5 0.5 0.0 S
0.5 0.0 0.0 X
0.5 0.0 0.5 U
0.5 0.5 0.5 R

执行 命令
phonopy.py -p

即可画出声子谱， 如果执行 phonopy.py -p -s 即可将声子谱曲线保存为 PDF 文件。
其中 声子谱的数据是以 yaml 格式保存在 band.yaml 里的。

如果你想用 Origin, Qtiplot, Xmgrace 等工具画图的话，可以用我写的 python 脚本，readband.py (http://www.zhuli.name/file/readband.py) 将 band.yaml 转换一下，输出文件有两个 band.dat, qpoint.dat.
其中 band.dat 是声子谱数据， qpoint.dat 是高对称性点的数据。

以上只是 phonopy 的其本用法，如果要计算声子态度度和热力学性质的话可以参考
http://phonopy.sourceforge.net 上的文档，还是比较简单的。

我的计算结果:




另外我再解释一下，q=0的时候，即G点的声学声子的频率为什么是0.
实际q=0，意味着波长为无穷大，意味着刚体的振动。对于三维晶体，实际刚体振动的自由度是三个，这样就应该有三支声学声子。既然是整体的振动，那么力场数对所有原子求积分后为0。这样动力学矩阵是有力常数积分得到的，所以动力学矩阵为0.动力学矩阵的本征值开平方就是频率。 所以G点的三个声学支是为0的。
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1楼 2009-12-05 01:48:15
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回帖支持 ( 显示支持度最高的前 50 名 )

goldenfisher

金虫 (著名写手)

★★★ 三星级,支持鼓励

phonon的确是采用冻结原子的方法计算声子，也就是直接法。而现在大多数采用的是密度泛函微扰法(DFPT)。直接法，或称frozen-phonon方法，是通过在优化后的平衡结构中引入原子位移，计算作用在原子上的Hellmann-Feynman力，进而由动力学矩阵算出声子色散曲线。由于计算简便，不需要特别编写的计算程序，很多小组都采用直接法计算材料性质。直接法的缺陷在于它要求声子波矢与原胞边界(super size)正交，或者原胞足够大使得Hellmann-Feynman力在原胞外可以忽略不计。这使得对于复杂系统，如对称性高的晶体、合金、超晶格等材料需要采用超原胞。超原胞的采用使计算量急剧增加，极大的限制了该方法的使用。这种方法不能很好的预言LO-TO splitting, 只有在计算了Born effective charge和dielectric constant之后，进一步考虑了 non-analyticity term，才能计算出;但Direct Method本身并不能给出Born effective charge和dielectric constant.所以这也是它的一个缺陷.目前,vasp+phonon用的就是这种方法.
DFPT通过计算系统能量对外场微扰的响应来求出晶格动力学性质。该方法最大的优势在于它不限定微扰的波矢与原胞边界(super size)正交，不需要超原胞也可以对任意波矢求解。因此可以应用到复杂材料性质的计算上。此外，能量对外场微扰的响应不仅可以推导出声子的晶体性质，还能求出弹性系数、声子展宽、拉曼散射截面等性质,这种方法本身就能算出Born effective charge和dielectric constant,可以很好的预言LO-TO splitting甚至Kohn anomalies。这些优势使得DFPT一经提出就被广泛应用到了半导体、金属和合金、超导体等材料的计算上。比较常用的程序是pwscf和abinit等.
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27楼2010-04-03 21:01:35
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gavinliu7390

木虫 (著名写手)
★
aylayl08(金币+1,VIP+0):谢谢讨论 12-5 16:52
引用回帖:
Originally posted by yzcluster at 2009-12-5 09:09:
没用过这个软件，看来挺好。不过，我有两个小问题

1.这个软件能否直接给出伽马点上振动的不可约表示模式？

2.进一步，能否直接给出是红外、拉曼活性？

如果你想要这些，为什么不用密度泛函微扰的,只需计算G点就可以.计算量相当小,在单机就行.这种免费的软件更多, abinit,pwscf. 就算完q点之后,你找输出就有了.
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10楼2009-12-05 16:21:40
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xirainbow

木虫 (正式写手)
★ ★ ★ ★ ★ ★
aylayl08(金币+6,VIP+0):感谢专家讨论交流 12-5 19:14
个人觉得超晶胞冻结声子计算声子谱方法是一种较为落后的方法
现在通常都是用线性响应方法计算

1：冻结方法计算时，只能计算布里渊区特殊点的声子频率，一般点根本算不了。
而且如果k点较密，则超晶包必须选择的很大，大大增加了计算量
而线性响应没有这个限制，布里渊区任意点都可以算，且计算量对于不同k点是差不多的。

2：后期采用力常数方法
其实力常数是一种经验方法，不是对于所有的体系都适用的
比如graphite，力常数方法对于科恩异常是失效的
即使加到第五紧邻力常数，也无法得到实验的声子谱
目前最好的计算结果是用GW做的

3.冻结方法其实完全可以利用现有的任何能够计算总能的程序进行计算
只不过需要手动调节各个原子的位置而已

[ Last edited by xirainbow on 2009-12-5 at 17:29 ]
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13楼2009-12-05 17:26:46
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fanjing_83

金虫 (小有名气)
phonopy可以算德拜温度吗？
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31楼2010-04-28 14:30:18
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普通回帖

gavinliu7390

木虫 (著名写手)
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2楼2009-12-05 01:50:05
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yachunwang


★★★★★ 五星级,优秀推荐

gavinliu7390(金币+5,VIP+0):phonopy是免费的。 至于vasp，那就得想法了。谢谢支持！ 12-5 16:16
aylayl08(金币-5,VIP+0):评分失误，扣回金币。sorry 12-5 16:49
内容已删除
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3楼2009-12-05 07:53:55
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yzcluster

金虫 (著名写手)

★★★★★ 五星级,优秀推荐

gavinliu7390(金币+5,VIP+0):谢谢推荐！ 12-5 16:16
aylayl08(金币-5,VIP+0):对不起专家，评分失误 12-5 16:50
没用过这个软件，看来挺好。不过，我有两个小问题

1.这个软件能否直接给出伽马点上振动的不可约表示模式？

2.进一步，能否直接给出是红外、拉曼活性？
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4楼2009-12-05 09:09:36
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hedaors

禁虫 (正式写手)
★ ★
gavinliu7390(金币+5,VIP+0):谢谢回答！ 12-5 16:17
aylayl08(金币-3,VIP+0):sorry，评分失误，扣回金币 12-5 16:50
引用回帖:
Originally posted by yzcluster at 2009-12-5 09:09:
没用过这个软件，看来挺好。不过，我有两个小问题

1.这个软件能否直接给出伽马点上振动的不可约表示模式？

2.进一步，能否直接给出是红外、拉曼活性？

不能给出。
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5楼2009-12-05 10:17:48
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zhxd1028

禁虫 (小有名气)
★ ★
gavinliu7390(金币+2,VIP+0):谢谢推荐！ 12-5 16:18
本帖内容被屏蔽
7楼2009-12-05 13:51:57
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hedaors

禁虫 (正式写手)
★ ★
gavinliu7390(金币+5,VIP+0):感谢回答！ 12-5 16:18
aylayl08(金币-3,VIP+0):评分失误，sorry，扣回部分金币 12-5 16:51
引用回帖:
Originally posted by zhxd1028 at 2009-12-5 13:51:
fropho倒是用过，这个软件没用过。不过两个软件的理论基础是一样的吧。貌似只是一个用fortran写得，一个用python写得。计算主题还是用VASP的啊。貌似计算量有些大，尤其是低对称性的体系，超原胞要大，不等价的原 ...

计算量肯定没有用线性响应理论计算的大。
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8楼2009-12-05 14:52:19
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gavinliu7390

木虫 (著名写手)
★ ★ ★ ★ ★
aylayl08(金币+5,VIP+0):感谢交流讨论 12-5 16:51
引用回帖:
Originally posted by zhxd1028 at 2009-12-5 13:51:
fropho倒是用过，这个软件没用过。不过两个软件的理论基础是一样的吧。貌似只是一个用fortran写得，一个用python写得。计算主题还是用VASP的啊。貌似计算量有些大，尤其是低对称性的体系，超原胞要大，不等价的原 ...

其实一般情况下，超原胞法是计算量是比较小的，一般用2*2*2的胞即可。
但是对于绝缘体，有长程力，需要建立更大的胞，收敛性较差，所以计算量才大了起来。扩胞的大小，不是根据对称性扩的，而是根据扩胞后，力常数是否有收敛性。

然而基于线性响应的密度泛函微扰法可以轻松克服超晶胞需要扩的很大的这个缺点，因为它实际是直接求每个q点的动力学矩阵。它的快慢到是和对称性关联很大。有些q点根本就没对称性，收敛起来特别慢，甚至很难收敛。

所以基于超原胞法写的程序基础肯定都一样，因为这个方法已经发展了30年了，相当成熟了。
phonopy要比frophon快三分之二。
因为frophon是这样移动需要移动的原子的：
1   1 0 0
1   0 1 0
1   0 0 1
而phonopy是移动一次
1   1 0 1
这样需要移动的原子只需要移动一次就可以了。
计算量相当小了。

至于是否用supercell  还是DFPT。还是根据需要。
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9楼2009-12-05 16:11:52
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yzcluster

金虫 (著名写手)
★
aylayl08(金币+1,VIP+0):感谢专家讨论 12-5 19:14
引用回帖:
Originally posted by gavinliu7390 at 2009-12-5 16:21:


如果你想要这些，为什么不用密度泛函微扰的,只需计算G点就可以.计算量相当小,在单机就行.这种免费的软件更多, abinit,pwscf. 就算完q点之后,你找输出就有了.

我既要整个声子谱的色散关系，也需要γ点的具体对称分类和相应的或许。呵呵
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12楼2009-12-05 17:23:27
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zhxd1028

禁虫 (小有名气)
★ ★
aylayl08(金币+2,VIP+0):谢谢指点 12-7 09:08
本帖内容被屏蔽
14楼2009-12-05 23:50:46
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y1ding

铁杆木虫 (著名写手)
引用回帖:
Originally posted by gavinliu7390 at 2009-12-5 01:48:
原帖地址：http://blog.zhuli.name/archives/6679
这个程序是利用超晶胞冻结声子计算声子谱。
优点：方便，高效，准确。


1. Phonopy 简介
Phonopy 是一个由 python 实现的的晶体声子分析程序 ...

原来是吉大 马老师组.
赞一下.
你们组09年,PRL发了4篇外1Nature,真厉害
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15楼2009-12-06 00:35:50
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月光客

金虫 (小有名气)

★★★ 三星级,支持鼓励

这个讨论有意思，呵呵
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16楼2009-12-06 10:33:12
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yachunwang


引用回帖:
Originally posted by yachunwang at 2009-12-5 07:53:
呵呵，坐沙发喽，第一次啊！真不容易！LZ的帖子很棒，支持支持！可惜我们这里资源有限没有这个软件和VASP！

呵呵，刚刚得到老师同意，我也可以雪VASP了， 那么这么好的资源就可以用上了再次谢谢！
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18楼2009-12-06 17:10:20
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yachunwang


引用回帖:
Originally posted by zhxd1028 at 2009-12-5 23:50:

有道理！！！
如果只计算某些高对称点冻结方法还是可以用用的，而且因为原理简单对于刚开始学习晶格动力学还是很有用的啊。恩，适合入门用。不过貌似现在也有人用它计算一些小的体系。

呵呵，那应该很适合我这个新手用了，谢谢提供这么好的分析！
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19楼2009-12-06 17:12:18
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wuchenwf

荣誉版主 (职业作家)

★★★★★ 五星级,优秀推荐

  这个不错
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20楼2009-12-06 21:00:00
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citrine

铁杆木虫 (正式写手)
好东西，谢谢楼主分享，好好学习一下！
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22楼2009-12-11 22:44:10
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ztwang

铜虫 (小有名气)

★★★★★ 五星级,优秀推荐

不错，学习了
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23楼2009-12-13 11:54:04
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zxzj05

荣誉版主 (著名写手)

★★★★★ 五星级,优秀推荐


好啊
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25楼2010-03-20 05:25:46
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awmc2008

至尊木虫 (文坛精英)

★★★★★ 五星级,优秀推荐

thank you for sharing.
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28楼2010-04-03 22:21:54
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spur

金虫 (正式写手)
引用回帖:
Originally posted by goldenfisher at 2010-04-03 21:01:35:
phonon的确是采用冻结原子的方法计算声子，也就是直接法。而现在大多数采用的是密度泛函微扰法(DFPT)。直接法，或称frozen-phonon方法，是通过在优化后的平衡结构中引入原子位移，计算作用在原子上的Hellmann-Fey ...

嗯，这个软件很有意思。目前我对Born effective charge 比较感兴趣，因为这与铁电极化有关。但据悉PWscf和Abinit也需要手动移原子然后用Berry Phase的方法才能算出Born effective charge？而且这两种code的最大问题是赝势。目前vasp5.2号称已经可以算Born effective charge，但我前几天测试了一下，但没得到想要的这个BEC，目前还不知道问题在哪里。各位有兴趣的可以看看我刚发的帖子，也顺便帮我一把，谢谢。
http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=1961798&fpage=1
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30楼2010-04-15 02:35:51
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gavinliu7390

木虫 (著名写手)
引用回帖:
Originally posted by fanjing_83 at 2010-04-28 14:30:18:
phonopy可以算德拜温度吗？

不可以！
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32楼2010-04-28 15:17:52
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zdd2008

金虫 (职业作家)
引用回帖:
Originally posted by goldenfisher at 2010-04-03 21:01:35:
phonon的确是采用冻结原子的方法计算声子，也就是直接法。而现在大多数采用的是密度泛函微扰法(DFPT)。直接法，或称frozen-phonon方法，是通过在优化后的平衡结构中引入原子位移，计算作用在原子上的Hellmann-Fey ...

十分同意此楼意见！
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33楼2010-04-28 16:26:03
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dhc198611

木虫 (小有名气)

★★★★★ 五星级,优秀推荐

好贴，顶起来
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34楼2010-05-15 08:42:18
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dxp5380

金虫 (著名写手)
我在opensuse11.2上安装phonopy-0.9.1.4。解压后在root下执行python setup.py install ，发现执行phonopy 以及phohopy -f vasprun,xml-*可以，能够产生POSCAR-，也能得到FORCES文件，但执行phonopy -p时作不出图。得到一下信息：Traceback (most recent call last):
  File "/usr/local/bin/phonopy", line 493, in
    forces = file_IO.parse_FORCES( supercell )
  File "/usr/local/lib/python2.6/site-packages/phonopy/file_IO.py", line 32, in parse_FORCES
    forces = Forces( atom_number-1, displacement, forces_tmp )
  File "/usr/local/lib/python2.6/site-packages/phonopy/forces.py", line 17, in __init__
    self.forces = np.array(forces)
ValueError: setting an array element with a sequence.
能帮我分析一下吗？谢谢！
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35楼2010-11-18 11:21:34
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天路堂主

银虫 (初入文坛)

问题请教

引用回帖:
Originally posted by gavinliu7390 at 2009-12-05 01:48:15:
原帖地址：http://blog.zhuli.name/archives/6679
这个程序是利用超晶胞冻结声子计算声子谱。
优点：方便，高效，准确。


1. Phonopy 简介
Phonopy 是一个由 python 实现的的晶体声子分析程序 ...

1.为什么我的Phonopy装完后不能运行phonopy.py命令，而只有phonopy命令，有遇到同样问题的吗？
2.产生POSCAR-*的时候能控制产生出来的POSCAR的数目吗？（如图）比如说LZ给出的是例子是产生12个POSCAR，那本例中的B C体系能否产生16个或18个等其它数目的POSCAR吗？
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36楼2011-03-09 11:41:40
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锐利的碎片

木虫 (正式写手)

★★★ 三星级,支持鼓励

其实phonopy可以用vasp的dfpt的。
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37楼2011-03-09 12:09:09
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天路堂主

银虫 (初入文坛)
引用回帖:
Originally posted by 锐利的碎片 at 2011-03-09 12:09:09:
其实phonopy可以用vasp的dfpt的。

能否说得详细点，怎么用的？
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38楼2011-03-09 13:43:40
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kuangfg1987

至尊木虫 (职业作家)
引用回帖:
17192014楼: Originally posted by y1ding at 2009-12-06 00:35:50
原来是吉大 马老师组.
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你们组09年,PRL发了4篇外1Nature,真厉害...

你好，我用phonopy+vasp计算出了力，想问下下一步该怎么办？能不能提示下
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40楼2012-09-03 09:25:53
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gavinliu7390

木虫 (著名写手)
引用回帖:
40楼: Originally posted by kuangfg1987 at 2012-09-03 09:25:53
你好，我用phonopy+vasp计算出了力，想问下下一步该怎么办？能不能提示下...

phonopy -f vasprun.xml*
phonopy -p INPHON_band

INPHON_band 可以参考如下：
DIM = 1 5 3
BAND_POINTS = 30
BAND =  0.0 0.0 0.5   0.0 0.0 0.0  0.0 0.5 0.0   0.5 0.5 0.0   0.5 0.0 0.0  0.5 0.0 0.5  0.5 0.5 0.5  0.0 0.5 0.5

其中DIM是supercell的大小。
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42楼2014-05-03 13:29:48
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许雅枫993

新虫 (小有名气)
想问一下，计算声子谱的过程中，自由度的数目和什么有关，类似的结构自由度差很多，计算的步数也就差很多
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44楼2022-04-21 16:11:55
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孙佳星考研

新虫 (小有名气)

★ 一星级,一般

楼主，会算热容吗？有偿求助q   1124069624
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45楼2022-11-02 15:17:19
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zhangfan21926楼
2009-12-05 11:11   回复  
gavinliu7390(金币+2,VIP+0):谢谢推荐！ 12-5 16:18
aylayl08(金币-2,VIP+0):sorry，评分失误，扣回金币 12-5 16:51
 谢谢分享
aylayl0811楼
2009-12-05 16:52   回复  
 
erran17楼
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zdhlover21楼
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wuli824楼
2010-03-14 21:20   回复  
 
abcasi26楼
2010-04-03 20:42   回复  
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yuling98529楼
2010-04-14 23:58   回复  
 
songbone39楼
2011-10-20 16:42   回复  
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sg1840892641楼
2012-12-07 14:55   回复  
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李天帮43楼
2014-05-21 08:40   回复  
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