好久不見，讀者朋友們，筆者本次介紹USPEX官方案例16-18：大體系定組分穩(wěn)定結(jié)構(gòu)預(yù)測、以德拜溫度為目的進(jìn)行定組分結(jié)構(gòu)預(yù)測、計(jì)算量驚人的三元體系的變組分結(jié)構(gòu)預(yù)測。

01 USPEX官方案例講解(16-18)

案例16：變胞定組分預(yù)測SrTiO3(50 原子/單胞 )0 GPa下穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用的是GULP(采用Buckingham勢)。(這個(gè)案例存在的意義就是為了吊打XtalOpt：也是遺傳算法的結(jié)構(gòu)預(yù)測軟件，USPEX大體系的成功率大于90%，而XtalOpt只有7-12%)。案例16是300類型，我們的老朋友了，就不介紹INPUT.txt了，直接來看結(jié)果吧。300類型的計(jì)算，結(jié)果需要看哪些文件了？BESTIndividuals和BESTgatheredPOSCARS！

從BESTIndividuals可以看到本次計(jì)算了42代結(jié)構(gòu)，計(jì)算了大概1400多個(gè)結(jié)構(gòu)，最后得到如下的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)：

可見對于單胞50個(gè)原子這么大的結(jié)構(gòu)，USPEX也能很快得到穩(wěn)定的結(jié)果，而其中執(zhí)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的GULP也功不可沒吶。

案例17：以最高德拜溫度為目的變胞定組分預(yù)測單胞8個(gè)C原子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用VASP軟件包。
案例17還是300類型的計(jì)算，但是這次是預(yù)測具有最高德拜溫度的溫度結(jié)構(gòu)，那么也只需要在optType參數(shù)中，將我們通用的以焓值為優(yōu)化目的改為以德拜溫度為目的就行了。其余的話，參數(shù)設(shè)置和一般300類型類似。但是這次需要對Specific文件里面的INCAR做一次了解，因?yàn)楦鶕?jù)INCAR也能猜測出USPEX究竟怎么計(jì)算的。

Specific文件里面有5個(gè)INCAR，可以看出第一次和第二次是定體積的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而第三次和第四次結(jié)構(gòu)優(yōu)化是變體積的，經(jīng)過這四步結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到最小能量和相應(yīng)的構(gòu)型，最后才做彈性常數(shù)計(jì)算，因?yàn)榈掳轀囟群蛷椥猿?shù)計(jì)算相關(guān)(當(dāng)然這些計(jì)算是在VASP當(dāng)中完成的)。
從OUT.txt中可以看出USPEX總共計(jì)算了15代共351個(gè)結(jié)構(gòu)，這樣計(jì)算量并不大，因?yàn)檫@個(gè)案例是作為演示用的，INPUT.txt里面設(shè)置的代數(shù)和每代個(gè)數(shù)并不多。

300計(jì)算類型的還需要看的就是BESTIndividuals和BESTgatheredPOSCARS這兩個(gè)文件。先來看看BESTIndividuals這個(gè)文件：

由于這次是根據(jù)德拜溫度為目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定結(jié)構(gòu)預(yù)測，那么就是根據(jù)Fitness大小程度來篩選德拜溫度最高的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，Fitness負(fù)的越大的結(jié)構(gòu)，德拜溫度更高，接下來我們來看看這個(gè)德拜溫度最高的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)長什么樣？

可以看出只需要在optType參數(shù)里面修改優(yōu)化參數(shù)就能獲得具有相應(yīng)特殊性質(zhì)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這些特殊性質(zhì)包括：

案例18：三元體系Zn-O-H的變成分結(jié)構(gòu)預(yù)測，結(jié)構(gòu)優(yōu)化還是采用GULP軟件進(jìn)行的。
由于變組分結(jié)構(gòu)預(yù)測這方面非常非常重要，我們前面也介紹過兩次了，但是這次準(zhǔn)備繼續(xù)再一次仔細(xì)介紹一下，因?yàn)榇蟛糠諹SPEX文章都是靠這個(gè)變組分結(jié)構(gòu)預(yù)測方法產(chǎn)生。先來看看INPUT.txt文件：

第4-17行是設(shè)置整個(gè)大的計(jì)算類型和體系，也就是讓軟件知道采用USPEX方法進(jìn)行301計(jì)算，以焓值最低為目的進(jìn)行優(yōu)化(焓值越低越穩(wěn)定)。而計(jì)算哪個(gè)體系？Zn-O-H，這三個(gè)元素以任意比例構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。第21-25行是設(shè)置USPEX遺傳算法種群大小和代數(shù)。第29-33行是設(shè)置遺傳算法的產(chǎn)生子代結(jié)構(gòu)的具體操作。第37-46行是設(shè)置外掛的第一性原理軟件。

USPEX的參數(shù)設(shè)置總結(jié)起來就是，先設(shè)置體系和類型，再設(shè)置種群和遺傳操作，最后設(shè)置外掛的第一性原理軟件，當(dāng)然從官方案例拷貝一個(gè)類型的INPUT.TXT修改一下就行，不懂的參數(shù)USPEX –p xxx，就這么簡單。
前面介紹過二元體系的變組分結(jié)構(gòu)預(yù)測的結(jié)果處理，強(qiáng)調(diào)了凸包線的原理和作用，而此次是三元體系的變組分結(jié)構(gòu)預(yù)測，還是凸包線嗎？想想也是不可能，只能往三元金字塔相圖那邊想，預(yù)測結(jié)果最直觀的展示就是打開compositionStatistic.pdf文件：

當(dāng)然看到這個(gè)圖，肯定會有點(diǎn)懵逼的感覺了，這個(gè)圖要表達(dá)什么意思，這個(gè)Stable的結(jié)構(gòu)到底是哪個(gè)了？不要著急，這個(gè)只是展示結(jié)構(gòu)分布的圖，具體的穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)從OUTPUT.txt可以得到的：

這里需要抱怨一下USPEX開發(fā)者吧，這里數(shù)據(jù)并沒有處理，三元體系的穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)的成分為三種元素構(gòu)成，前兩個(gè)是整數(shù)，后一個(gè)為啥是小數(shù)了？雖然最后一位是小說看起來很別扭，但是這些結(jié)構(gòu)都是我們的指路明燈，有些這些結(jié)構(gòu)我們就能很有針對性和目標(biāo)性的處理extended_convex_hull和extended_convex_hull_POSCARS這兩個(gè)重要的文件。

先來看看extended_convex_hull這個(gè)文件，這個(gè)和二元體系有什么區(qū)別，其實(shí)是沒多大區(qū)別的，但是二元體系里面的數(shù)據(jù)能夠生動的和凸包線結(jié)合在一起，二元體系里面前面的幾行的數(shù)據(jù)和OUTPUT.txt里面總結(jié)出來的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)一一對應(yīng)，也就是說都是凸包線上的點(diǎn)。而三元體系的數(shù)據(jù)有點(diǎn)讓人摸不著頭腦的感覺，看看前面幾行的數(shù)據(jù)和OUTPUT.txt得到的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)對應(yīng)不上，只能根據(jù)OUTPUT.txt得到的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的成分來搜索。比如想找Zn1O5H10這個(gè)成分的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，直接grep "1 5 10" extended_convex_hull

一下子就能extended_convex_hull找到好幾個(gè)成分為Zn1O5H10的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然是焓值最低的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，那么ID為9219的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定了，既然知道了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)的ID，那么它的原子坐標(biāo)信息也就好辦了，直接上extended_convex_hull_POSCARS搜索一下就行：grep -n EA9219 extended_convex_hull_POSCARS

很簡單一個(gè)命令就能找到ID為9219的原子坐標(biāo)信息所在的行數(shù)，那么知道行數(shù)以后，直接去extended_convex_hull_POSCARS找。

當(dāng)然這只是一個(gè)結(jié)構(gòu)的處理，OUTPUT.txt那么多穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)還等待讀者去處理。當(dāng)然可以一個(gè)個(gè)手工去處理，也可以寫一個(gè)簡單腳本去處理。接下來請稍微深入的思考一下：三元體系變組分的有了這么一個(gè)初步的結(jié)果，怎么把這些結(jié)果變成paper了？下面一篇文章能夠得到很好答案。doi: 10.1038/srep18347 (2015)

對于三元變組分結(jié)構(gòu)預(yù)測，筆者還有一些需要說道一下：三元變組分搜索的計(jì)算巨大，比二元變組分計(jì)算量大的不只是一點(diǎn)點(diǎn)，并且準(zhǔn)確率還是一個(gè)值得考慮的問題，所以一般并不建議采用這個(gè)三元體系去計(jì)算，除非計(jì)算資源很大，并不考慮投入產(chǎn)出的問題，存粹只是為了科研。
就拿Zn-O-H這三元體系計(jì)算來說，問題還是比較大的，總共計(jì)算了9339種結(jié)構(gòu)，并且每種結(jié)構(gòu)計(jì)算了5次，這就是差不多5W次計(jì)算，服務(wù)器跑起來至少一個(gè)月左右。再對結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的處理，一個(gè)月左右的時(shí)間又過去了。這僅僅是一個(gè)壓強(qiáng)下的結(jié)果，而實(shí)際上還需要計(jì)算不同壓強(qiáng)的情況。此外有時(shí)候?yàn)榱烁玫奶幚砣w系的結(jié)果，還需要從三元體系里面找一些二元體系進(jìn)行計(jì)算，這是一個(gè)龐大的工作。筆者在這里只是想強(qiáng)調(diào)三元體系計(jì)算變組分并不容易，如果準(zhǔn)備三元體系計(jì)算變組分還需要做好心理準(zhǔn)備。

02 總結(jié)

案例16：變胞定組分預(yù)測SrTiO3(50 原子/單胞 )0 GPa下穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用的是GULP(采用Buckingham勢)。300案例17：以最高德拜溫度為目的變胞定組分預(yù)測單胞8個(gè)C原子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用VASP軟件包。300案例18：三元體系Zn-O-H的變成分結(jié)構(gòu)預(yù)測，結(jié)構(gòu)優(yōu)化還是采用GULP軟件進(jìn)行的。301這三案例都是老朋友，前面都講過很多次，但還是有些不一樣的地方，所以這次教程比較詳細(xì)的介紹了不同的地方：大體系定組分穩(wěn)定結(jié)構(gòu)預(yù)測、以德拜溫度為目的進(jìn)行定組分結(jié)構(gòu)預(yù)測、計(jì)算量驚人的三元體系的變組分結(jié)構(gòu)預(yù)測。
03番外篇
案例16就是為了吊打另一個(gè)遺傳算法預(yù)測軟件：XtalOpt，我們現(xiàn)在來稍微看一下這個(gè)軟件長什么樣的。http://xtalopt.github.io/index.html它居然是用戶界面操作，不符合科研界喜歡命令行來處理結(jié)果的慣例。當(dāng)然它是采用遺傳算法的，和USPEX有很多方法執(zhí)行原理上有點(diǎn)類似吧，但是功能還是差了一些，具體的筆者還沒仔細(xì)去探索，看看用它做出結(jié)果發(fā)表的文章可以看出基本上還是作者和她朋友的課題組在使用吧，發(fā)表的文章量并不多。軟件并不需要貪多，用熟USPEX，并了解它背后的原理，比你懂N款晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測的軟件強(qiáng)很多。

總結(jié)

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