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siesta manual

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  • U s e r s G u i d e

    S I E S T A 3.2

    March 24, 2013

    Emilio Artacho University of Cambridge

    Jose Mara Cela Barcelona Supercomputing Center

    Julian D. Gale Curtin University of Technology, Perth

    Alberto Garca Institut de Cie`ncia de Materials, CSIC, Barcelona

    Javier Junquera Universidad de Cantabria, Santander

    Richard M. Martin University of Illinois at Urbana-Champaign

    Pablo Ordejon Centre de Investigacio en Nanocie`nciai Nanotecnologia, (CSIC-ICN), Barcelona

    Daniel Sanchez-Portal Unidad de Fsica de Materiales,Centro Mixto CSIC-UPV/EHU, San Sebastian

    Jose M. Soler Universidad Autonoma de Madrid

    http://www.uam.es/siesta

    Copyright c Fundacion General Universidad Autonoma de Madrid: E.Artacho, J.D.Gale,A.Garca, J.Junquera, P.Ordejon, D.Sanchez-Portal and J.M.Soler, 1996-2013

  • Contents

    1 INTRODUCTION 5

    2 COMPILATION 7

    2.1 The building directory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.1.1 Multiple-target compilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    2.2 The arch.make file . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    3 EXECUTION OF THE PROGRAM 9

    4 THE FLEXIBLE DATA FORMAT (FDF) 11

    5 PROGRAM OUTPUT 12

    5.1 Standard output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    5.2 Output to dedicated files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    6 DETAILED DESCRIPTION OF PROGRAM OPTIONS 14

    6.1 General system descriptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    6.2 Pseudopotentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    6.3 Basis set and KB projectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

    6.3.1 Overview of atomic-orbital bases implemented in Siesta . . . . . . . . . . 16

    6.3.2 Type of basis sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    6.3.3 Size of the basis set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    6.3.4 Range of the orbitals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    6.3.5 Generation of multiple-zeta orbitals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    6.3.6 Soft-confinement options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    6.3.7 Kleinman-Bylander projectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    6.3.8 The PAO.Basis block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    6.3.9 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    6.3.10 Saving and reading basis-set information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    6.3.11 Tools to inspect the orbitals and KB projectors . . . . . . . . . . . . . . . 28

    6.3.12 Basis optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

    6.3.13 Low-level options regarding the radial grid . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

    6.4 Structural information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    6.4.1 Traditional structure input in the fdf file . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    1

  • 6.4.2 Z-matrix format and constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    6.4.3 Output of structural information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    6.4.4 Input of structural information from external files . . . . . . . . . . . . . 38

    6.4.5 Input from a FIFO file . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    6.4.6 Precedence issues in structural input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    6.4.7 Interatomic distances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    6.5 k-point sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    6.5.1 Output of k-point information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    6.6 Exchange-correlation functionals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    6.7 Spin polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

    6.8 The self-consistent-field loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

    6.8.1 Mixing options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

    6.8.2 Initialization of the density-matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    6.8.3 Initialization of the SCF cycle with charge densities . . . . . . . . . . . . 48

    6.8.4 Output of density matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    6.8.5 Convergence criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    6.9 The real-space grid and the eggbox-effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    6.10 Matrix elements of the Hamiltonian and overlap . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    6.10.1 The auxiliary supercell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

    6.11 Calculation of the electronic structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

    6.11.1 Diagonalization options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

    6.11.2 Output of eigenvalues and wavefunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

    6.11.3 Occupation of electronic states and Fermi level . . . . . . . . . . . . . . . 57

    6.11.4 Order(N) calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

    6.12 Band-structure analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    6.12.1 Format of the .bands file . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

    6.12.2 Output of wavefunctions associated to bands . . . . . . . . . . . . . . . . 62

    6.13 Output of selected wavefunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

    6.14 Densities of states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    6.14.1 Total density of states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    6.14.2 Partial (projected) density of states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

    6.14.3 Local density of states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

    6.15 Options for chemical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

    6.15.1 Mulliken charges and overlap populations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

    2

  • 6.15.2 Voronoi and Hirshfeld atomic population analysis . . . . . . . . . . . . . . 67

    6.15.3 Crystal-Orbital overlap and hamilton populations (COOP/COHP) . . . . 68

    6.16 Optical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

    6.17 Macroscopic polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

    6.18 Systems with net charge or dipole, and electric fields . . . . . . . . . . . . . . . . 73

    6.19 Output of charge densities and potentials on the grid . . . . . . . . . . . . . . . . 74

    6.20 Auxiliary Force field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

    6.21 Parallel options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

    6.21.1 Parallel decompositions for O(N) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    6.22 Efficiency options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    6.23 Memory accounting options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

    6.24 The catch-all option UseSaveData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

    6.25 Output of information for Denchar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

    7 STRUCTURAL RELAXATION, PHONONS, AND MOLECULAR DY-NAMICS 81

    7.1 Structural relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    7.1.1 Conjugate-gradients optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

    7.1.2 Broyden optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

    7.1.3 FIRE relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

    7.1.4 Quenched MD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

    7.2 Target stress options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

    7.3 Molecular dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    7.4 Output options for dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

    7.5 Restarting geometry optimizations and MD runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

    7.6 Use of general constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

    7.7 Phonon calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

    7.8 Interface to the PHONON program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

    8 TRANSIESTA 94

    8.1 Brief description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

    8.2 Source code structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

    8.3 Compilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

    8.4 Running a fast example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

    8.5 Brief explanation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

    3

  • 8.6 Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

    8.7 TranSiesta Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

    8.7.1 General options . . . . . . . . . . . .