VASP的收敛性测试及脚本文件
Last Updated: 2025-12-18
VASP中的平面波截断能（ENCUT）和k点数目是实际计算的两个非常重要的影响计算精度的设置（ENCUT决定计算时要考虑的平面波数目，与基于高斯型基函数的计算中的基组大小类似；k点决定计算时要考虑的第一布里渊区k网格密度，原理相对复杂，这里不多赘述）。这两个参数设得太小显然会让结果太不精确，但设得太大对精度进一步改进不明显却耗时暴增，因此不能盲目设大。
Vaspkit程序可以在生成输入文件时根据你期望的精度设置自动生成一个k点（多数情况偏大；如果要使用vaspkit生成k点，对于一般问题个人建议步骤为“102–>1–>0.04”）。理论上讲，晶胞越大，需要考虑的k点数目越小；k点数目无穷大时的计算结果和扩胞扩到无限大时的计算结果是等价的。经验上讲，假设a为某方向的晶胞边长，k为该方向考虑的k点数目，则分子晶体的k·a一般不低于15Å，含d族过渡金属的体系k·a一般不低于30Å。
ENCUT可以根据POTCAR文件来设置，原则上不得低于所有元素中ENMAX的最大值，经验上通常根据实际问题类型取ENMAX最大值的1~1.3倍。
严格来讲，ENCUT和k点都应大到随它们增大而能量基本收敛为止。为了选出一个合适的设置，最严谨的办法是对ENCUT和k点分别做收敛性测试。对于主要关注能量相关问题的一般任务，ENCUT或k点测试到能量收敛到1meV即可（对≥10原子体系，建议以1meV/atom为判断标准）；注意DOS计算需要较多k点，因此需要将收敛限卡得更严。
平面波截断能（ENCUT）的收敛性测试
下面给出一个做ENCUT随能量的收敛性测试的bash脚本，该脚本根据Sobereva为CP2K做的截断能随能量收敛性测试的脚本修改而来（原脚本出处是Sobereva举办的北京科音CP2K第一性原理计算培训的“能量的计算及相关问题”部分），简单易懂。大家可以模仿这个脚本试着写一写做k点随能量的收敛性测试的bash脚本，针对CP2K做截断能（cutoff和rel_cutoff）和k点的收敛性测试的脚本也可以模仿着自己写出来（别问我要Sobereva的原始脚本，可能涉及版权问题）。
这个脚本中，“encut=”后面是你要测试的一串截断能数值，脚本中展示了两种定义方法，实际使用时任选一种即可。在使用这个脚本之前，先准备好一套单点能计算的输入文件，并在INCAR中设置ENCUT = TO_BE_TESTED，然后将该脚本放到与你准备的输入文件相同的目录中。该脚本的基本思路就是先创建对应你在脚本中设定的一串ENCUT下的多组文件夹（连带文件夹内的输入文件；视为多个计算任务），再分别执行各个计算任务，最后择取出能量并进行统计（下面的脚本取的是VASP自动做sigma->0外推后的能量）。通常情况下，只要有一行数据第一次出现与上一次的差值绝对值在1meV以下，就可以拿该行对应的ENCUT当实际计算要用的ENCUT值了。
显然，是否考虑k点、SCF是否收敛等影响能量及其精度的因素多多少少会对结果造成影响。由于VASP的算法原因，在做ENCUT收敛性测试时不建议为节省时间而放宽SCF收敛限，更不能为此有意减小SCF步数上限甚至减到1；可以为节约时间而取粗一点儿的k点，但不能仅考虑gamma点。（而以上“禁忌”对于CP2K影响一般不显著，故对CP2K可以考虑这样做）
#Perform ENCUT convergence test
#Written by Growl1234, based on Sobereva's bash script for convergence test of CUTOFF for CP2K.
#!/bin/bash
template_file=INCAR #Template file of present system
vasp_bin=/root/VASP/src/vasp.6.5.1/bin/vasp_std #VASP command
nproc_to_use=24 #Total number of CPU cores to use
recalc=0
#encuts= "400 425 450 475 500 525 550"
encuts=$(seq 400 25 550) #Considered encut range and step
if [ $recalc -eq 1 ] ; then
echo "Running: rm -r encut_*"
rm -r encut_*
fi
input_file=INCAR
output_file=vasp.out
output_file_2=OUTCAR
plot_file=ENCUT.txt
#Prepare input files
for ii in $encuts ; do
work_dir=ENCUT_${ii}eV
if [ ! -d $work_dir ] ; then
mkdir $work_dir
fi
sed -e "s/TO_BE_TESTED/${ii}/g" $template_file > $work_dir/$input_file
cp KPOINTS $work_dir/
cp POSCAR $work_dir/
cp POTCAR $work_dir/
done
#Run input files
for ii in $encuts ; do
work_dir=ENCUT_${ii}eV
cd $work_dir
if [ ! -e $output_file_2 ] ; then
echo "Running $work_dir/$input_file"
mpirun -np $nproc_to_use $vasp_bin > $output_file
else
echo "$work_dir/$output_file_2 has existed, skip calculation"
fi
cd ..
done
#Print energies
echo "# ENCUT vs total energy" > $plot_file
echo "# Date: $(date)" >> $plot_file
echo "# PWD: $PWD" >> $plot_file
echo -n "# ENCUT | Energy (eV) | delte E " >> $plot_file
printf "\n" >> $plot_file
itime=0
for ii in $encuts ; do
work_dir=ENCUT_${ii}eV
total_energy=$(grep -e 'sigma->0' $work_dir/$output_file_2 |tail -1 | awk '{print $7}')
if (( $itime == 0 )); then
printf "%8.0f %15.8f " $ii $total_energy >> $plot_file
else
E_var=$(echo "$total_energy - $E_last" | bc)
printf "%8.0f %15.8f %12.8f" $ii $total_energy $E_var >> $plot_file
fi
printf "\n" >> $plot_file
E_last=$total_energy
itime=$(($itime+1))
done
echo "If finished normally, now check $plot_file"
k点的收敛性测试
做k点随能量的收敛性测试的bash脚本的基本思路跟上面一样，大体模仿着写即可。如果懒得琢磨，用下面算例里的脚本文件。
需要注意的是，由于k点设定是包含空格的，因此不应该像上面的脚本那样设置要测试的k点；建议单另添一个用于写要测试的k点的纯文本文档（不同k点分行写），然后在bash脚本里面正确引用之。另外，k点的收敛性测试应当让每一个分别任务的SCF都按照一般单点能计算问题的标准正常收敛。ENCUT的大小对结果造成不可忽视影响，因此总应当在做k点收敛性测试之前先做ENCUT的收敛性测试。另外，对于几何结构呈各向异性的体系，k点的收敛性测试可能需要不同方向分开做，典型的比如石墨这种，xy方向和z方向晶胞边长都显著不同，此时合理的办法是先对xy方向做收敛性测试（k点设111，221，331，……），得到xy方向合适的k点数目，再去做z方向的收敛性测试（假设xy方向测试得到的是771时收敛，那么k点设771，772，773，……）。
计算示例
下面给出一个压缩包，里面包含了对石墨（graphite）和金刚石（diamond）做收敛性测试的示例，其中石墨的k点收敛性测试采用了如上所述对xy方向和z方向分开做的方法。压缩包里包含所有计算相关文件和用来执行收敛性测试的bash脚本。通过查看里面的计算内容，你应该可以了解收敛性测试是怎么做出来的。