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1、目录USPEX10.1目录IUSPEX的特点，目标和历史21.1 概述21.2 USPEX的特色81.3 有关USPEX主要原理及应用的文章91.4 版本的历史102初始化162.1 如何获得USPEX162.2 版权引用162.3 错误报告162.4 运行USPEX的机型配置162.5 与USPEX兼容使用的代码172.6 如何安装USPEX172.7 如何运行USPEX182.8 运行USPEX示例201.1.1 试USPEXPython运行器201.1.2 运行EX13-3DspecialquasirandomstructureTiCoO211.1.3 运行一个与外部代码交互的示例221
2、.1.4 检查结果243输入与输出文件253.1 输入文件253.2 输出文件263.3 Specific文件夹313.4 SPEClFIC文件夹中的INCAR文件324输入文件INPUT.TXT的设置364.1 计算类型的方法364.2 种群454.3 适者生存的选择464.4 结构产生和变异操作474.5 约束条件514.6 晶胞554.7 重新开始574.8 从头算法的细节574.9 指纹设置614.10 反种子设置624.11 判定空间群644.12 统计学-针对开发者654.13 不常使用的关键字675特殊情况的额外输入725.1 MOL_1,Me）L_2,等文件725.1.1 分子
3、晶体，calculatonType=310/311725.1.2 聚合物晶体，CalculationType=I10（“线性链状模型”）735.1.3 经典力场的额外输入735.1.4 如何准备MOL文件755.2 表面755.3 变成分代码795.4 进化准动力学命令825.5 粒子群算法（PSO）指令866相变路径预测896.1 变胞微动弹性带（VCNEB）法896.2 VCNEB的Input选项906.3 如何设置VC-NEB计算的初始路径987在线工具1017.1 结构表征1017.2 性质计算1017.3 分子晶体1027.4 表面1027.5 其它1028常见问题1038.1 如何
4、将结果可视化？1038.2 如何避免陷阱?1048.3 什么是单块计算？1048.4 如何使用种子技术？1048.5 如何巧妙考虑组成？1068.6 如何建立一个从本地机器到远程集群的密码连接？1088.7 如何从-个已坏了的MAT-文件重新开始计算？1098.8 当USPEX在一段时间内不运行，该如何操作？1108.9 如何建立一个计算使用的工作提交脚本？1108.9.1 第一步：在提交文件夹中配置文件11038.9.2 第二步：定期运行USPEX1148.9.3 Crontab1148.9.4 Shell脚本1158.10 如何在带有对称性代码的32位机器上工作？1169附录1179.1
5、例子目录1179.2 运行测试1199.3 INPUrTXT输入文件示例1209.4 空间群列表1219.5 平面群列表1229.6 点群列表1239.7 USPEX中使用的共价原子半径表1249.8 USPEX使用的默认化合价表1259.9 USPEX使用的默认GoodBonds表12610参考书目127IUSPEX的特点，目标和历史USPEX10.1IUSPEX的特点，目标和历史1.1概述USPEX是通用结构预测器的简称：进化晶体结构。在俄语里，USpekh代表成功”，鉴于此方法的高效，以及通过这种方法产生了许多有用结构，这一命名是恰当的！USPEX在计算材料发现方面具备许多独特功能。最初
6、，USPEX项目的主要目的是不依赖经验知识预测晶体结构。这一目的已通过整合局部优化和实空间从头算法模拟，发展成为先进的进化算法。除了完全非经验式的搜索外，USPEX同时能够预测大量亚稳结构，并运用不同程度的先验知识进行不同类型的模拟。晶体结构预测是一个较早期的问题，实际上包括理论晶体化学的中心问题也很悠久。JohnMaddox于1988年写道2：“物理科学界长久以来的一个丑闻就是不能根据已知物质的化学组成进行结构预测，甚至是最简单的结晶固体像结晶水（冰）这样简单固体的预测也被认为超出了凡人的知识范围”。显然，目前的问题是全局优化，即在结构变动过程中发现晶体的最小自由能（每摩尔）。为了得到一些可
7、能存在的结构，让我们考虑一种简化的情况，一个体积为V,有N个相同原子的固定立方晶胞。为了进一步简化，我们假设原子只能离散分布在一个分辨率为S的网格节点上。这种数字离散化使得不同原子坐标组合的数目C有限化：（勿投）！（/外）（忆/川）一n!m如果将3设为特征键长（例如，=1A）,由方程1给出的组合数量将是自由能局部极小的结构数量的合理估计。如果有不止一种原子类型，不同结构的数量将显著增加。假设一个典型体积10A3的原子，考虑到斯特灵的公式（!aA（/e）,在一个有10原子的单胞内A元素（化合物AB）的可能结构数为10（IOl4）,若在20个原子的单胞内为KF（is0），30个原子的单胞内为10用
8、（1047）我们可以看到，这些数目很大，甚至是总原子数N10的小体系实际处理起来也不可能实现。更糟的是，随着n的增加其复杂性呈指数增加。很明显，除了最简单的含有1-5个原子的单胞体系，在自由能表面上逐点探索所有结构也不可行。USPEX【3,4采用的进化算法由A.KOganov和C.W.Glass设计，还有随后做出很大贡献的A.O.Lyakhov和Q.Zhu。它的高效来源于精心设计的变异运算，其可靠性很大程度上取决于在进化算法中运用了目前最先进的从头算法模拟。进化算法的最大优势是不需要任何体系的特殊知识（除了化学成分之外），同时还可以自我改进，即随后代的不断增加，越来越好的结构会被发现并用于产生
9、新结构。下图1是一个能量面（或性质）的可能区域放大图。而且，基于变异算法的灵活特性，很容易把一些附加的特点融入到进化算法中。图1：AusPd4的简化面2D投影图，显示了某一区域内具有低能量结构的聚集区。此图是由OganoV&Valle（2009）的方法获得。我们开发USPEX的一个主要动力就是2004年【5,6】发现了MgSiO3的后钙钛矿结构（图2）,这一发现显著改变了地球内核的结构模型。2010年9月，当USPEX公开发布时，用户数近200。用户增长速度很快-在2012年5月我们拥有800用户，这一数字在2014年12月己超过2100。USPEX的普及归功于它的高效性和可靠性，而且在第一次
10、对无机晶体结构预测的盲测【7】中体现出了USPEX优于其他方法测试，因为它是针对性的测试（模拟退火和随机抽样）。随31USPEX的特点，目标和历史USPEX10.1机抽样（由Freeman和Schmidt分别于1993年和1996年提倡用于晶体结构预测，并于2006年被PiCkard【8】以AlRSS的名字重新使用）是最筒单的，也是成功率最低和计算成本最高的方法。由于在结构搜索中复杂的指数标度（公式1）,USPEX的优势伴随体系大小的增加呈指数增长。然而，即使在小体系中，如有8个原子的GaAS单胞内，这些优势还是很大（在这个例子中，随机抽样需要平均500个结构弛豫来发现基态，而USPEX仅仅需
11、要30个结构弛豫就能找到（图3）。例如：AdlU山- 28- 29- 30- 31- 32- 3351015202530GenerationNumber图2：在120GPa下的MgSiO3晶体结构预测（20原子/晶胞）。上图展示了随着代数的增加，最优结构的*含值变化。在第六代和第十二代间最优结构为钙钛矿，但在第十三代全局最低的（后钙钛矿）被发现。这次模拟计算在2005年结合了USPEX的第一个版本和从头算法完成。它没使用实验数据，证明了USPEX可以在一次模拟中同时找到稳定结构和低能量的亚稳结构，每代都包含30个结构。这个图举例的是用最初的USPEX版本计算70次中最慢的一个，即使这样速度也相
12、当快。10300250200150150sosbJo3qlunNEnergy(eV/atom)10213243546576Structurenumber图3：GaAS结构预测。图a）弛豫随机结构的能量分布图。图b）-个进化模拟进程图（细垂直线表示结构代数,而灰线则表现随代数变化最低能量的变化趋势。所有的能量都是基态结构能量的相对值，进化模拟中每代会有IO个结构。此外，上一代具有最低能量的结构会延续到下一代。由随机抽样预测得到的SiN的稳定结构【8】中三分之二都被证明不稳定【9】；同样，使用随机抽样对NII和SnH4的预测也被证实【10】不正确（对USOEX和随机抽样【13】的预测结构进行比较1
13、2）o对于较大的体系，随机抽样倾向于产生几乎具有相同能量的完全无序结构，这样就把成功率降低到几乎为零。从MgSiO3超胞中有40个原子的后钙钛矿的例子可以看出：在120,000次的弛豫后随机抽样仍然没有找到正确的结构，而USPEX在几百次的弛豫后就找到了（图4）。Energy,eVSaInJOMSJ。-BqEnNSaImOnLSJO-IaqUInNSaImOmJSJoJaqEnN图4：能量表面取样：分别采用随机抽样和USPEX对有40个原子的MgSio3后钙钛矿相晶格常数进行计算并对比。局域优化结构的能量如图所示。随机抽样共生成1.2x105个结构(没有一种结构与基态一致)。USPEX的搜索，
14、每一代包括40个结构，在15代内发现基态结构。基态结构的能量为箭头标示处。这张图显示，包含在进化搜索中的学习驱动模拟发现低能量结构。在USPEX中实现随机抽样是非常容易的，但大多数情况下只在测试的时候觉得这样很有用。同样，粒子群优化(PSO)算法和晶体结构预测(由A.I.Boldyrev开发,Wang,Lu,Zhu和Ma改进实现)己经被改造。它是在USPEX的基础上进行略微调整被作为修正的PSO(croPSO)算法，它优于之前未修订版本的PSO,但实际上所有现存的PSO方法远不如USPEX那么高效可靠。如果有人想尝试，我们认为PSO方法更适用于测试。结合了MartOnak的准动力学和Ogano
15、V-GIaSS的进化方法的进化准动力学方法14非常强大，弥补了进化算法的不足。对于全局优化和获得低能量的亚稳结构，这个方法是足够的，甚至可用于寻找可能的相转变路径。为了研究对于相变机制的详细信息，其他方法：变胞NEB法【15】和转变路径方法【16】加入到该版本17在当前的版本，代码只需要最少量的输入文件，大多数的输入信息都有可靠的默认值。我们必须指定的是化学体系、压力、温度、硬约束181和用于产生下一代结构的结构数量。可以随意的固定晶格常数（如果是实验己知的）进行计算。只设置原子类型也可以进行变成分模拟，USPEX可以找到稳定的组分和相应结构。它还可以预测低维物质的结构，例如纳米团簇、二维晶体
16、、表面和分子晶体。1.2 USPEX的特色 只根据化学组成就能预测其稳定和亚稳定结构。还能根据元素模拟搜索稳定的组成和结构。 可以结合结构部分己知信息一一可以根据实验获得的晶胞参数，或者固定的晶胞形状，又或者是固定的晶胞体积来对计算施加束缚条件（详见4.6）；一一可以从己知或者猜测的结构开始搜索计算（详见8.4）；一可以从预先确定的分子（包括结构灵活的分子）进行晶体结构组装（详见5.1）。 高效的束缚技术。可以消除在搜索空问累的非物理和无用的区域。晶胞缩小技术（Oganov&Glass,2008）。 采用指纹函数的小生境技术。（OganoV&Valle,2009；Lyakliov,Oganov
17、,Valle,2010）,详见。 采用随机的方式，或者使用空间群和晶胞分裂技术来进行初始化。 即使的结果分析一空间群的确定（详见4.11）,硬度的计算，有序参量等。 对纳米微粒结构和表面重构的结构预测（详见5.2）。 重启设置。使得计算可以从任何终止的时刻从新恢复并接着计算（详见4.7）。 镶嵌在STM4代码里强大的可视和分析技术（M.Valle）可以完全地与USPEX进行接口（详见8.1）。 USPEX可以与VASP,SIESTA,GULP,LAMMPS,DMACRYS,CP2K,QuantumEspresso,FHI-aims,ATK,CASTEP,Tinker,MOPAC等代码进行接口（
18、详见2.5）, 可以从本地的工作站向远程集群和超算提交作业（详见8.9）。 可以选择使用USPEX算法（默认算法），随机取样法，进化准动力学法（详见5.4）,修正粒子群优化法（详见5.5）,类最小跳跃阀来进行结构预测。可以使用进化准动力学法，变胞NEB法（详见6.1）预测相变路径。 除了能量还可以选择以其他物理性质作为优化对象一一例如硬度（LyakhoV&Oganov,2011）,密度（ZhU等人，2011）,带隙和介电常数（Zeng等人，2014）和许多其它的性质。 为了方便开发者和用户，USPEX是一个基于MATLAB的代码同时它也能在OCtaVe（一个类似于MATLAB环境的免费软件）一
19、一用户不需要进行任何编译，为了加强MATLAB版本的兼容性，只使用了基本的MATLAB命令。USPEX代码已经在MATLAB2012版至2015版和OCtaVe3.4（新的OCtaVe版本将不被支持）进行了开发和测试。 从9.4.1版本开始,USPEX具有了安装程序（install.sh文件）和一个基于Python的MATLAB代码（USPEX的Python模式），可以提供许多有用的命令行选项。1.3 有关USPEX主要原理及应用的文章1. OganovA.R.,GlassC.W.（2006）.Crystalstructurepredictionusingevolutionaryalgorit
20、hms:principlesandapplications.J.Chem.Phys.,124,244704.2. OganovA.R.,StokesH.,ValleM.（2011）.HowevolutionarycrystalstructurepredictionWorks-andwhy.Acc.Chem.Res.,44,227-237.3. LyakhovA.0.,OganovA.R.,StokesH.,ZhuQ.（2013）.NewdevelopmentsinevolutionarystructurepredictionalgorithmUSPEX.Comp.Phys.Comm.,184,
21、1172-1182.4. ZhuQ.,OganovA.R.,GlassC.W.,StokesH.（2012）.Constrainedevolutionaryalgorithmforstructurepredictionofmolecularcrystals:methodologyandapplications.ActaCryst.B,68,215-226.5. ZhuQ.,LiL.,OganovA.R.,AlienP.B.（2013）.Evolutionarymethodforpredictingsurfacereconstructionswithvariablestoichiometry.P
22、hys.Rev.B,87,195317.6. Zhu,Q.,SharmaV.,OganovA.R.,RamprasadR.（2014）.Predictingpolymericcrystalstructuresbyevolutionaryalgorithms.J.Chem.Phys.,141,154102.1USPEX的特点，目标和历史USPEX10.17. ZhouX.-F.,DongX.,OganovA.R.,ZhuQ.,TianY.,WangH.-T.(2014).SemimetallicTwo-DimensionalBoronAllotropewithMasslessDiracFermi
23、ons.Phys.Rev.Lett.,112,085502.8. LyakhovA.O.,OganovA.R.,ValleM.(2010).Crystalstructurepredictionusingevolutionaryapproach.In:Modernmethodsofcrystalstructureprediction(ed:A.R.Oganov),Berlin:Wiley-VCH.9. OganovA.R.,MaY.,LyakhovA.O.,ValleM.,GattiC.(2010).Evolutionarycrystalstructurepredictionasamethodf
24、orthediscoveyofmineralsandmaterials.Rev.Mineral.Geochem.,71,271-298.10. Duan,D.,Liu,Y.,Tian,F.,Li,D.,Huang,X.,Zhao,Z.,Yu,H.,Liu,B.,Tian,W.,Cui,T.(2014).Pressure-inducedmetallizationofdense(H2S)2H2withhigh-Tcsuperconductivity.Sci.Rep.,4.1.4 版本的历史v.l无局部优化进化算法。实空间表示，与VASP接口。实验版。2004.10v.2-CMA-ES的启用(CMA
25、-ES是一个由N.Hansen设计的功能强大的全局优化方法)实验版。2005.1V.3一有局部优化的进化算法v3.1一工作版本，序列。主要的基本改进。3.1.4-3.1.5-第一产品版本。主要是片段移位和最小的亲代贡献的遗传(硬编码为0.25)。2005.53.1.8 适应k点网格。15/10/20053.1.11 从任意的一代开始重新计算。实验版。04/11/20053.1.12 基于V.3.1.00的产品版本，变切片突变。11/11/20053.1.13 自适应缩放体积。29/11/20053.1.14 初步的种子技术。29/11/2005(6/12/2005调试)v32一大规模并行版本。
26、v.4-统一并行/串行版本。4.1.1 晶格突变。20/12/2005（10/01/2006调试）4.1.2 与SlESTA接口。初始群的大小可以不同于模拟运行中群的大小。24/01/2006（20/04/2006调试）4.1.3 可以设定的保留最佳结构的数目。实验版。21/04/20064.1.4 最佳结构的弛豫可选择。完全调试了的大规模并行版本。25/04/20064.4.1 与GULP接口。08/05/2006v.5一完全重写和调试版本，代码模块化。5.1.1 一新平台：Blanc,Gonzalcs暂时放弃序列模式。特定原子突变，代码的互通性，速读lNPUT_EA.txt中的参数。20/
27、12/2006。5.1.2 -Z矩阵的SlESTA与接口，旋转变异运算，只确保远程作业提交（实验版）。01/03/2007。v.6产品版本，与本地和远程作业都可提交。6.1.3 可以高效地完成大体系的硬约束，USPEX中可实现优化。07/06/2007。6.2开发版本631-6.3.2一引入单元格对角线的角度约束。完全重写的远程提交。改进输入格式。进一步扩展标准测试。07/12/20076.3.3X-com网格界面（有S.Tikhonov和S.Sobolev的共同参与）。在完善中。05/03/20086.4.1 指纹功能。07/04/20086.4.4 一空间群识别（调试过，但仍有问题），可以
28、选择性的关掉。快速指纹（参考表）。05/05/200812IUSPEX的特点，目标和历史USPEXlOl6.5.1 针对大体系的分裂晶胞法。更容易的远程提交作业。可变数量的最佳结构（能量群）。16/07/20086.6.1 非常稳健的版本，与当地执行重新启用，改进了指纹和晶胞分裂技术。13/08/2008663实现多种亲代遗传。Ol/10/20086.6.4增加亲代参与遗传的阈值。03/10/20086.6.6 第一次实现多元指纹功能。04/12/20086.6.7 6.7.1和6.7.2一实现准牖测量种群的多样性，将CEL和SPF放入独立文件夹。10/12/2008v.7-产品版本，含有变成
29、分。7.1.1 -7.1.7一系列改进版本。版本7.1.7己分发给200用户。变成分一定程度上己编码，己知的漏洞己修复，基于能量面的技巧己改进。改进了晶胞分裂，实现亚晶胞。实现多组分指纹功能（跟单组分指纹功能相比对结构更为敏感）=28/04/2009（28/05/2009确定版本）。7.2.5 第一个变成分计算全功能版本。引入了原子置换操作和组合燃。06/09/2009。7.2.7 一彻底调试，改进的重启功能，改进种子技术，与M.Baskes的MD+代码接口，引入了结构弛豫中的扰动和变成分的偏置适应度函数。25/09/2009,在728/9版本中进一步改进。7.2.8 一指纹完全支持变成分的代
30、码，包括niching。公平”算法用于产生组分的第一代结构。22/10/2009741一引入基于局部有序22坐标突变，遗传和原子置换也是基于局部有序。引入了硬度计算和基于硬度和密度的新型优化。04/01/20107.4.2 一调试，实现基于局部有序多亲代遗传。15/01/20107.4.3 一调试，实现新类型优化（最大化结构有序和种群多样性）。加入反种子技术，消除参数Voltimcconst,VOIbeSthOWmany。24/01/2010v.8一将新型优化写入产品版本。8.1.1- 828一开发版本。局部有序与坐标变异算子，软模变异运算，硬度的计算与优化，优化介质的敏感性。预测纳米粒子与表
31、面结构，实现点群，软件整体表现提升。可选用PSO模拟，（由于PSO的低效率，不建议在实际应用中使用PSO模拟一一所以只作测试用途）。参数goodbonds转变为矩阵用以建立纳米粒子。22/09/20108.3.1 调试PSo算法，优化介电常数，清除输入。08/102010CASTEP、CP2K、DMACRYS,GULP、LAMMPS、ATK、Tinker和FHLaimS这些软件交互作用。选择这些代码是基于1）它们结构弛豫的效率；2）稳健性；3）普遍性。当然还有一些其他代码也满足这些要求，未来我们可以再加进去。2.6 如何安装USPEX当你下载了USPEX的文件之后，需要解压并运行以下命令安装U
32、SPEX到用户或者系统级的位置：bashinstall.sh安装者不要求具有root权限。你将会被询问是选择MATLAB还是OCtaVe,安装目录以及确认创建或者使用这个目录。然后系统会提供给你关于环境变量的信息，这项必须设置以确保USPEX在系统中可用，例如：ForBashshellsystem,addtheselinesin.bashrcor-/.profileoretcprofile:exportPATH=/home/USerbinUSPEXSPATHexportUSPEXPATH=ZhomcZuserZbinZUSPEX/srcForCshellsystem,addtheselines
33、in.cshrcor-/.profileoretcprofile:setenvPATH7home/user/bin/USPEX:$PATHsetcnvUSPEXPATHhomeuserbinUSPEXsrc如果你想改变MATLAB或者OCtaVe的路径，可以编辑USPEX安装目录里的CODEPATH文件。2.7 如何运行USPEX为了运行USPEX,你必须有MATLAB或者OCtaVe,USPEX运行在MATLAB（优先）或者OCtaVe下，并且在电脑节点上有可运行的外部代码用于结构的弛豫和计算它们的能量。目前，UEPEX可以和VASP、SIESTA、QuantumEspressoCASTEP
34、CP2K、DMACRYSGULP、LAMMPS、ATK、Tinker和FHLaimS这些软件一起使用。开始你的计算时，根据你想要做什么体系来从示例中找到类似的例子（见附录：示例列表），然后从编辑INPUT.txt开始。对INPUT文件的详细使用说明键第四章节。然后，将外部代码做结构弛豫需要的文件放在SPeCifiC文件夹下，以VASP为例，这样的文件有INCAR，INCAR_2,.INCARN,和PoTCAR_I,POTCAR2,.POTCARNa有两种运行代码的方式一一旧的和新的，两种都可以用。在老的方式中，你的运行文件夹下需要有完整的USPEX代码（USPEX.m文件和FunctionFo
35、Ider目录等）。然后输入nohupmatlablog&或者你用的是OCtaVe,输入nohupoctavelog&（ii）新的方式中，如果你使用了基于PythOn语言的运行器的USPEX安装器，你所需要做的是输入：nohuUSPEX-rlog&或者，如果是OCtaVe,输入nohupUSPEX-r-olog&Log文件中包含有模拟过程中信息的记录，如果有错误的话（如果你愿意报告软件的漏洞，清把log文件发送给我们）。OUTPUT.txt文件包含有每一代计算和分析的详细信息。对于USPEX运行者，我们有许多人性化的选项：- V,-version：显示程序的版本号并退出- h,-help：显示帮
36、助信息并退出- P,-parameter：指明需要获得帮助的参数。如果没有值或者是“all”，则整个INPUT.txt参数都会显示- e,-example：显示USPEX例子的细节。如果没有值或者是all”，则所有的例子都将被显TKo- C,-NUM,-Copy=NUM:复制INPUT文件并指明例子所在文件夹。- g,generate：产生准备USPEX计算的文件夹，包括AntiSeedsSeedsSpecific,Submissionfolders- r,-run：运行USPEX计算-clean：清理计算文件夹当进行大规模并行计算时，用户需要做一点工作根据用户的电脑配置文件（因此，我们不敢保证支持解决大规模并行计算的问题）。有两种提交作业的方式-（1）本地提交；（2）远程提交，取决于你是否将abinitio计算任务提交给你运行USPEX和MATLAB相同的机器，或者说你是否将你的工作发给远程的超级计算机。参见关键字WhichCluster以及8.4和8.5章节。2.8 运行USPEX示例一旦下载了USPEX的软件包并安装了它，你就可以运行第一个USPEX例子。这个例子的详细信息列在附录：例子列表中。所需要的运行例子的外部代码显示如下：GULP：EX02,EX03,EX08,EX12