2-3-1 國家高速網路與計算中心
利用國家高速網路與計算中心，將已設定好的工作在電腦上上傳至伺服器計 算，使用的伺服器平台為 IBM cluster1350。IBM cluster1350 屬於分散式平行電腦 系統，採 Intel Woodcrest 3.0 GHz 雙核心處理器，擁有 512 個節點(node)、共 2048 個 CPUs，總計算效能（Rmax）為 19.91 TF，理論值（Rpeak）為 24.86。
2-3-2 操作軟體 VASP(Vienna Ab-initio simulation Package)
本實驗的計算是使用 Vienna Ab-initio simulation Package(VASP)19,22,23計算軟 體，以 Perdew-Wang 1991 (PW91)20,24的 Generalized Gradient Approximation (GGA) 作為本實驗系統的交換關聯函數(Exchange correlation function)，同時也使用 Blochl 等作者發展的投影綴加波(Projector Augmented Wave；PAW)22,25的方法，作為系統 分子的計算理論基礎。VASP 廣泛運用在下列的應用中：
1. 採用週期性邊界條件(或超原胞模型)處理原子、分子、表面體系及固體。
2. 計算材料的結構參數(鍵長、鍵角、晶格常數及原子位置等)和構型。
3. 計算材料的電子結構(能級、電荷密度分佈、能帶、電子態密度)。
利用 VASP 計算得先建立一個檔案資料夾其內部需包含四個主要 INPUT 檔案：
INCAR、POTCAR、KPOINTS 和 POSCAR，將所需參數設定好後即可進行計算工 作，以下將針對此四個檔案的設定及原理做介紹。
(一) INCAR
為計算時的操作設定，為 DFT 裡所提及的基底設定，下列為 INCAR 內的設 定與常用參數介紹：
SYSTEM = Bulk CeO2
ISMEAR = -1 ! -5 for insulator JCP vol(114) p5816 SIGMA = 0.1
EDIFF = 1E-4 ---電子自洽場迴圈總能量的允許誤差範圍
NSW = 300 ---代表整個外迴圈的結構收斂次數限度
ENCUT = 600 ---為 Cutoff Energy，越大值計算準確度高但耗時久 GGA = 91 ---表示使用 Perdew -Wang 91 近似方法計算
ALGO = FAST
RWIGS = 1.402 ---輸入元素的 wigner-seitz radius。當需要做 DOS 計算時，會加入 此參數。
!ISPIN = 2 ---表計算工作不加入自旋極化(spin-polarized)， 但對於 Fe、Co 及 Ni 含有鐵磁性金屬則需加入此設定：ISPIN = 2。
ISIF = 2 ---此設定為 2 時則固定晶格常數計算(fix)；若為 3 時則自由優化( relax) IBRION = 2 ---離子如何移動及收斂，設定為 2 表示 conjugate-gradient，用於結構
收斂。已優化結構進行 DOS 計算時，設定為-1 表示原子不動，也 可設定 NSW=0。
IALGO = 48
!NBAND = 1000
NPAR = 16 ---平行計算的數量。做 DOS 計算時，將此參數設定為 1。
NELM = 300 ---代表內迴圈電子自洽場(self-consistency)收斂次數限度 LREAL = Auto
ISYM = 0 ! default for PAW LWAVE = F ! write WAVECAR
(二) KPOINT
主要代表計算波函數時取點做計算的數量，設定如下：
Automatic Mesh 0
Monkhorst-Pack 2 2 1
0 0 0
研究所使用的 KPOINTS 為 2 2 1，分別代表 X、Y、Z 軸方向所取的點數，
須搭配 POSCAR 中 3 3 的矩陣來觀察，舉例來說，一軸的長度為 10Å ，另一軸為 20Å ，所取的點分別為 2 跟 1，因為將這兩軸寫成反函數，分別為 1/10 及 1/20，搭 配取點為在第一條軸上每 1/10 份取兩點做計算，另一條軸則是每 1/20 份取一點做 計算，但第一條軸因為在每 1/10 處的兩點是等距，所以跟另一條軸的索取點數相 同，利用圖 2-3 解釋各軸上的取點跟波函數的關係。
圖 2- 3 波函數從上而下分別取 1、2 和 4 點去計算波函數的值。
從圖中可得知要描述一個完整的波函數，取一個點去做計算跟敘述是相當不 準確的；取兩個點的波函數計算仍稍嫌不足，當取到四個點來計算時就會開始趨 近於真實的函數圖形，換言之取點越多，將波函數分割的越精細將可完整的描繪 出真實的波函數值與圖形。
(三) POSCAR
包含原子座標及單位向量等，主要是描述晶格的幾何結構，POSCAR 檔案如下：
Rh(100) 1.00000000000000 ---晶格常數的單位(Å )
11.5438010799999997 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 11.5438010799999997 0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 23.0876021599999994
矩陣為 direct 座標 轉換為 cartesian 座 標的轉換因子
108 1 1 ---分子模型中各種原子的數量，原子種類的排序須和 POTCAR 中的順 序相同。
Selective dynamics Direct ---表示座標的種類
0.0000000000000000 0.0000000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.3333330000000032 0.0000000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.6666669999999968 0.0000000000000000 0.0000000000000000 F F F 0.1666669999999968 0.1666669999999968 0.0000000000000000 F F F 0.5000000000000000 0.1666669999999968 0.0000000000000000 F F F
研究中所建立的 slab model，是根據 crystal model 而來的，crystal 是一個 X、
Y、Z 軸無限週期性延伸的金屬，在層與層間加入了真空層(vacuum space)，就可將 層與層間相隔，而真空層也是在做模擬工作時，分子在金屬表面上活動及反應的 空間，真空層厚度約為 10Å ，為避免吸附分子與上一層表面有作用。
圖 2- 4 金屬晶體中加入真空層(vacuum space)形成 slab 金屬表面。
F 和 T 分別代表 X、Y 和 Z 軸上的 座標在計算時固定
或可以移動。
分子模型中所有原子的座標，分別為 X、Y 和 Z 軸上的座標。
(四) POTCAR
內容主要是提供計算的工作中所包含的元素種類，並提供工作中所需每個元 素的 pseudopotential，元素編排順序需和 POSCAR 中相同。
PAW_GGA Rh 04May1998 9.00000000000000000 parameters from PSCTR are:
VRHFIN =Rh: s1 d8 LEXCH = 91
EATOM = 617.2984 eV, 45.3702 Ry
TITEL = PAW_GGA Rh 04May1998 LULTRA = F use ultrasoft PP ? ……….
PAW_GGA C 05Jan2001 4.00000000000000000 parameters from PSCTR are:
VRHFIN =C: s2p2 LEXCH = 91
……….
PAW_GGA O 05Jan2001 6.00000000000000000 parameters from PSCTR are:
VRHFIN =O: s2p4 LEXCH = 91
……….
綜合以上四個檔案(INCAR、KPOINTS、POSCAR、POTCAR)的設定後，丟入 高速電腦中以 8~32CPU 去計算，以反應物及產物的 Local minimum 的計算量約 10
小時到 20 小時間完成，若是計算過渡態(transition state)則約兩天到五天時間。計 算完成，所得到的檔案包含 OUTCAR、OSZICAR、CONTCAR、CHGCAR、
WAVECAR、DOSCAR、CHG 等的檔案，可從 OUTCAR 中的資料中取得能量及 經過轉換 cartesian 座標；CONTCAR 中可得到最後結構的 direct 收斂座標，與 POSCAR 相似，以下將針對 OUTCAR 做介紹。
(五) OUTCAR
vasp.4.6.28 25Jul05 complex
executed on LinuxIFC date 2014.08.13 15:05:36
ion position nearest neighbor table
total drift: -0.061259 0.064578 0.005780 ---
reached required accuracy - stopping structural energy minimisation LOOP+: VPU time 930.03: CPU time 932.97
General timing and accounting informations for this job:
==============================================================
Total CPU time used (sec): 44107.584 ---總計算時間 User time (sec): 44086.819
System time (sec): 20.765 Elapsed time (sec): 44261.334 Maximum memory used (kb): 0.
Average memory used (kb): 0.
Minor page faults: 168618 Major page faults: 87 Voluntary context switches: 8923