计算类型
\(\triangleright \) variable calculationMethod
Meaning: 计算方法
可选值（特性）:
USPEX — 进化算法晶体结构预测
META — 进化赝动力学模拟
VCNEB — 用变晶胞微动弹性方法确定相变路径
PSO — 修正的PSO算法
TPS — 相变路径抽样方法
MINHOP — 最小跳跃方法
COPEX — 协同式进化算法晶体结构预测，用于可靠地预测三元体系变成分结构模拟
Default: USPEX
Format:
USPEX: calculationMethod
\(\triangleright \) variable calculationType
Meaning:
计算类型:
即，明确预测体晶或纳米团簇或表面结构等，该参数由四部分组成，包括 结构维度、 体系涉及分子与否和 成分可变与否，以及“s” or “S”表示自旋状态选项:
结构维度:
“3” — 体材料
“2” — 表面, “-2” — 二维晶体
“1” — 聚合物
“0” — 纳米粒子
分子状态:
“0” — 无分子体系
“1” — 分子体系
?在计算中化学组成的变化:
“0” — 定成分
“1” — 变成分
magnetic calculation :
“s” or “S” – 考虑自旋计算
Default: 300
Format:
301: calculationType
注意: 如果calculationType=310，意味着，你将预测分子晶体，然后 USPEX希望你提供含有所有的分子类型的分子几何体的MOL_1， MOL_2， …这些分子将被安置在新的几何结构中。有效的选择：300（s300），301（s301）， 310，311，000(s000)，200(s200)，201(s201)，-200(-s200)，-201（-s201），110。
\(\triangleright \) variable optType
Meaning: 用户可以通过这个值来定义优化函数。对于焓值（自由能）和体积，默认设置是寻找最小值；对于其它optTypes，默认设置是寻找最大值。你可以根据需求自主更改寻找最大还是最小值。你也可以用某个目标值来优化性质（例如，对太阳能光伏来说，寻找带隙接近于1.34 eV的材料是很有吸引力的）。
可能的值（特征）:
|
Value |
Number |
Description |
|
enthalpy |
1 |
预测稳定结构 |
|
volume |
2 |
最小体积（每原子） |
|
（找到最密结构） |
||
|
hardness |
3 |
最大硬度 |
|
（找到最硬相） |
||
|
struc_order |
4 |
最有序结构 |
|
（发现最有序结构） |
||
|
density |
5 |
最大密度 |
|
diel_sus |
6 |
最大介电常数 |
|
（仅适用于VASP和GULP） |
||
|
bandgap |
7 |
最大带隙 |
|
（仅适用于VASP） |
||
|
diel_gap |
8 |
最大电容量 |
|
（仅适用于VASP） |
||
|
mag_moment |
9 |
最大磁化强度（例如，每体积磁矩最大） |
|
（仅适用于VASP） |
||
|
quasientropy |
10 |
最大结构准熵值 |
|
birefringence |
11 |
最大双折射率（最大及最小反射率差值最大） |
|
HalfMetalicity |
12 |
maximization halfmetalicity parameter (only for VASP) |
|
ZT |
14 |
最大热电品质因子 |
|
Fphon |
17 |
最小自由能（有限温度） |
与弹性力学相关的性质 (“11**”):
|
值 |
序号 |
说明 |
|
K, 体积弹性模量 |
1101 |
体弹性模量最大化 |
|
G, 剪切模量 |
1102 |
剪切模量最大化 |
|
E, 杨氏模量 |
1103 |
杨氏模量最大化 |
|
v, 泊松比 |
1104 |
泊松比最大化 |
|
G/K, Pugh模量比 |
1105 |
Pugh模量比最大化 |
|
Hv, 维氏硬度 |
1106 |
维氏硬度最大化 |
|
Kg, 断裂韧性 |
1107 |
断裂韧性最大化 |
|
D, 德拜温度 |
1108 |
德拜温度最大化 |
|
Vm, 声速 |
1109 |
声速最大化 |
|
S-波速 |
1110 |
S-波速最大化 |
|
P-波速 |
1111 |
P-波速最大化 |
注意: 与弹性力学相关的性质的计算仅仅适用于VASP (从VASP5.1开始)和GULP。对于VASP用户， 需要在Specific/文件夹中增加至少一个INCAR_* 文件， INCAR_*文件应该包括的参数有IBRION=6, ISIF\(\geq \)3和 NFREE=4。 体积弹性模量剪切模量和杨氏模量的估计值是Voigh-Reuss-Hill（VRH） 的平均值。注意这样算出的弹性性质数值上可能不稳定，用户需要小心检查结果。用户也可以使用另外一种方法计算弹性模量 — machine learning模型。
Users also can perform the calculation of the elastic properties using Machine Learing (ML) approach, where the elastic moduli are computed using a graph convolutional neural network 18 and then hardness and fracture toughness are evaluated with the Mazhnik-Oganov model 19 .
ML-based elasticity-related properties (”12**”):
|
Value |
Number |
Description |
|
K, Bulk Modulus |
1201 |
maximization of bulk modulus |
|
G, Shear Modulus |
1202 |
maximization of shear modulus |
|
E, Young’s Modulus |
1203 |
maximization of Young’s modulus |
|
v, Poisson’s ratio |
1204 |
maximization of Poisson’s ratio |
|
G/K, Pugh’s modulus ratio |
1205 |
maximization of Pugh’s modulus ratio |
|
Hv, Vickers hardness |
1206 |
maximization of Vickers hardness |
|
Kg, Fracture toughness |
1207 |
maximization of fracture toughness |
注意: 断裂韧性的公式只对绝缘体有效（以及 carbides, borides, hydrides）
Default: enthalpy
Format:
% optType
enthalpy (equivalent to Min_enthalpy)
% EndOptType
另外一个例子:
% optType
Min_(bandgap-1.34)^2
% EndOptType
需要注意的是在后一个例子里，我们优化的optType变量是一个数学表达式。数学表达式应该在圆括号内，同时应该是有效的MATLAB表达形式。完整的表达(包括 min_ and max_ 在内) 应该是一个整体，不要在整个表达式里填入空格。例如“( bandgap - 1.3 ) ^2"或者 min_ (bandgap-3)都是无效的形式。
在当前USPEX版本，我们增加了多目标函数（Pareto）优化功能，optType变量设置可以如下：
% optType
3 1
% EndOptType
或者
% optType
max_Hardness enthalpy
% EndOptType
在进行多目标函数优化时，有必要先仅基于焓值进行结构搜索，然后再进行多种性质的Pareto优化。相关设置如下：
% optType
3 6 [5]
% EndOptType
或者 % optType
max_Hardness min_Diel_sus [5]
% EndOptType
该设置表示，你将按照最大硬度以及最小介电常数进行结构搜索，前5代结构搜索是仅基于焓值进行优化的，从第6代结构搜索开始，切换至Pareto优化。
Fig. ??显示了以最大硬度作为优化函数（optType=hardness），寻找最硬的TiO\(_2\)晶体结构。结果显示，TiO\(_2\)结构可能的最大硬度仅为14GPa 20 ，反驳了Dubrovinsky（2001）关于TiO\(_2\)是超硬材料的结论 21 。这个例子表明通过一个简单的USPEX结构预测就可能解决长期存在的争论。
Fig. ??是以最大硬度和最小焓值同时作为优化函数进行结构预测 ，显示了结构稳定性和硬度的相互制约关系。
![\includegraphics[scale=0.18]{pic/hardness_example}](images/img-0008.png)
![\includegraphics[scale=0.18]{pic/Pareto_hardness_enthalpy}](images/img-0009.png)
注意: 如果optType=bandgap（带隙）或diel_gap（电介质带隙）， 这里的带隙我们使用的是一个扩展函数，这个扩展函数对于金属表现出连续性。 —也就是说， \(\Delta E_g - g(E_F)/N\)，\(\Delta E_g\)是带隙，\(g(E_F)\)是在费米能级处 的态密度（对金属而言），而N是单胞内的原子数。由于这个扩展函数的连续性， 与带隙相关量的全局最大化甚至可以用于解决金属的问题。 对金属而言，这个值等于费米能级处的态密度。对于半导体和绝缘体而言这个值等于带隙。
\(\triangleright \) variable atomType
Meaning: 描述每种原子的类型。
Default: 无，必须明确给出
Format:
如果你喜欢用门捷列夫元素周期表的原子序数，请设置:
12 14 8
% EndAtomType
或者你可以使用元素符号，如下:
% atomType
Mg Si O
% EndAtomType
再或者，你可以用元素名，设置:
% atomType
Magnesium Silicon Oxygen
% EndAtomType
\(\triangleright \) variable numSpecies
Meaning: 描述每种类型原子的数目。
Default: 无，必须明确给出
Format:
% numSpecies
4 4 12
% EndNumSpecies
这表示第一种类型有4个原子，第二种类型有4个原子，第三种类型有12个原子。
Notes: 对于变成分的计算，你需要列出如下所示的组成构建块：
% numSpecies
2 0 3
0 1 1
% EndNumSpecies
这表示第一个几何结构单元的分子式是A\(_2\)C\(_3\)，第二个几何结构单元的分子式是BC， A、 B、 C在原子类型块中已经解释过。所有结构都满足公式 \(x\)A\(_2\)C\(_3\) + \(y\)BC with \(x\), \(y\) = (0,1,2,…) — 或者是A\(_{2x}\)B\(_y\)C\(_{3x+y}\)。如果你想做A-B-C体系中所有可能组成的预测，应该这样设置：
% numSpecies
1 0 0
0 1 0
0 0 1
% EndNumSpecies
你也可以用一个化学式的计量比数来做定成分的变成分计算。这种情况下， 你需要设置（calculationType=301），化学组分，以及最大和最小原子个数。如下为A\(_2\)BC\(_4\)化合物的例子：
% numSpecies
2 1 4
% EndNumSpecies
14：minAt（单胞中最小原子个数） 28：maxAt（单胞中最大原子个数）
\(\triangleright \) variable magRatio
Meaning: 对非自旋极化（NM），FM-LS、FM-HS、AFM-L、AFM-H、FM-LH和 AF-LH所对应的不同类型磁性质的结构的初始比例。仅VASP支持此功能
Default: 0.1, 0.9/4, 0.9/4, 0.9/4, 0.9/4, 0, 0
Format:
% magRatio
1/8 1/8 1/8 1/8 1/8 0 0
% EndMagRatio
这意味着产生NM、FM-LS、FM-HS、AFM-L和 AFM-H结构的比率均为20%（这里不是1/8，已经重新调整为1）。 没有FM-LH和AF-LH磁化态的结构产生。
注意：
(1)总的来说，磁化率magRatio可以大于1，其比率将会自动调整为1。 (2)在USPEX中的含义和初始磁化率的值：
NM — 非自旋极化；
FM-LS — 低自旋铁磁；
FM-HS — 高自旋铁磁；
AFM-L — 低自旋反铁磁；
AFM-H — 高自旋反铁磁；
FM-LH — 低/高自旋混合铁磁；
AF-LH — 低/高自旋混合反铁磁。
(3) 对HM（非自旋极化），所有原子的初始磁化值均为0。对自旋状态和高自旋状 态原子的初始磁化值分别可以设置为MAGMOM = 1和4。对低/高自旋混合状态，每个 原子的磁化值可以被随意地设置为MAGMOM = 1或4。
(4) 当单胞中有奇数个原子时，将不会产生AFM类型结构。
(5) 磁化率magRatio亦适用于在自旋突变操作中的突变值。
\(\triangleright \) variable ldaU
Meaning: 使用DFT+U方法，指定每种原子的Hubbard U值。仅VASP支持此功能
Default: 0 对应每种类型的原子
Format:
% ldaU
4 0
% EndLdaU
\(\triangleright \) variable ExternalPressure
Meaning: 指定你所要计算体系的外部压力，单位是GPa。
Default: 0
Format:
100 : ExternalPressure
Note: 从 USPEX 9.4.1 起，压力的值(单位 GPa)可以直接在INPUT.txt文件中设置。不需要在 弛豫优化文件Specific/再次指定。
\(\triangleright \) variable valences
Meaning: 描述每类原子的化合价。 这仅用于评估结合的硬度，而结合硬度又用来计算近似的动力学矩阵（对软模变异） 和晶体的硬度。
Default: USPEX有一系列的系统默认化合价 (见附录 ??). 然而，需要注意的是，对一些元素 （例如N、S、W、Fe和 Cr等），有许多可能的化合价。除非你要计算硬度， 否则这没有问题，你可以用系统默认化合价。如果你要做硬度计算，你必须明确给出化合价。
Format:
% valences
2 4 2
% EndValences
\(\triangleright \) variable goodBonds
Meaning: 在矩阵中指定两原子间最低的键价，大于这些键价的化学键被认为是重要的化学键。 该参数的设置与原子距离矩阵IonDistances（如下）一样，是一个上三角形式的方阵。goodBonds仅用来计算硬度和软模变异。我们可以用公式
goodBonds = \(\frac{valence}{max\_ coordination\_ number}\)计算goodBonds。
Default: USPEX可以给出goodBonds合理的默认估值，你可以在输出文件OUTPUT.txt 中得到这些数值。对大多数情况，用默认值已经足够，但是对于硬度的计算，你必须要仔细地审查这些数值， 或者手动设置。更多细节，请参考附录 ??
Format:
% goodBonds
10.0 10.0 0.2
0.0 10.0 0.5
0.0 0.0 10.0
% EndGoodBonds
注意: 矩阵的维度必须与原子种类数或原子名称数相等。如果只有一种原子，那么矩阵就填充该数字。上面的矩阵解读如下：当可被认为是成键时，Mg-Mg间的距离要足够短使其键价为10或者更大，Mg-Mg键的距离必须足够短。对Mg-Si键，Si-Si键和O-O键也有同样要求（通过使用这种专一的标准，我们有效地排除了来自软模变异和硬度计算的交互作用），然而在用于硬度和软模变异计算时Mg-O键的键价取为0.2或者更大，Si-O键的键价取为0.5或者更大。
\(\triangleright \) variable checkMolecules
Meaning: 打开或关闭原始分子的再弛豫 （MOL_1、MOL_2等）是否完整。可用于分子晶体 (calculationType=310, 311)。
可能的数值（整数）：
0 — 未经核实，被认为是损坏了的结构或是合并的分子（我们强烈建议不使用这种类型）。
1 — 执行检查命令，所有损坏或是合并的分子均被遗弃。
Default: 1
Format:
1: 核实分子
\(\triangleright \) variable checkConnectivity
Meaning: 执行或不执行硬度计算以及软模变异。
可能的数值（整数）：
0 — 不检查原子关联性，不进行硬度计算。
1 — 考虑原子间的关联性，进行印度计算。
Default: 默认值：
1：checkConnectivity
Format:
\(\triangleright \) variable fitLimit
Meaning: 对于最大值: 如果所获得fitness的最小值比fitLimit的值小， 那么USPEX的计算将会在第一代之后结束。 对于最小值: 如果所获得fitness的最小值比 fitLimit的值大，那么USPEX的计算将会在第一代之后结束。
Default: 无默认值，用户需要自己设定。
Format:
10 : fitLimit