培训介绍

第一性原理（first principle）计算主要是指利用量子力学框架下发展的方法基于计算机计算模拟来研究周期性体系，主要涉及固体、液体及其界面相关的各种问题的研究。研究的问题比如：固体表面的吸附能和势垒、表面催化反应机理、晶体的几何结构和电子结构，材料的各种性质（比如磁性、内聚能、晶格能、弹性、热膨胀系数、极化率）、凝聚相体系的各种电子和振动光谱，等等。北京科音CP2K第一性原理计算培训班就是专门讲授如何做第一性原理计算研究各类问题，让学员能最好、最快上手这些问题的研究。

本培训基于非常知名的第一性原理程序CP2K（https://www.cp2k.org）来讲授。为什么此培训专门选择CP2K而不是基于VASP等其它程序来讲授？这是因为CP2K有非常多的关键性优点，包括：功能非常全面（被业界誉为瑞士军刀），支持的理论方法特别丰富，计算速度超级快，完全开源免费，发展迅猛。在流行的普适性的第一性原理程序里CP2K做DFT计算几乎是最快的，尤其是对于中、大体系计算速度更是彻底碾压VASP等绝大多数第一性原理程序（快一个数量级及以上！），这是因为CP2K在数值算法方面有大量独有的黑科技、开发者对计算效率极其看重。由于CP2K的这些关键性优点，CP2K的用户增长迅速，受到越来越多的关注。基于CP2K程序的研究文章频繁在Nature、Science、Angew、JACS、PNAS、PRL等高档次的期刊上发表（参看官方罗列的一些亮点文章列表：https://www.cp2k.org/science）。毫不夸张地说，熟练掌握CP2K，就相当于拥有了第一性原理研究的一个顶级武器，而且抓住了未来！由于上述不可替代的优点，CP2K是踏入第一性原理领域研究最先应当应当熟练使用的程序，而Quantum ESPRESSO、VASP等其它程序可以再作为进一步的补充。应当注意的是，虽然周期性体系的计算是CP2K最主要的应用领域，但千万不要误以为CP2K只能算周期性体系。CP2K也同样适用于算分子、团簇等孤立体系，而且CP2K对几百原子及以上的大体系的DFT计算速度比Gaussian、ORCA等主流量子化学程序通常还快得多得多。可见CP2K能研究的体系相当普适。

本培训内容精心设计，对理论背景和程序使用并重。培训会把第一性原理计算研究各类问题所涉及的各种背景知识进行全面又恰到好处的讲解，使得参加者清楚地知道算的是什么、能完全理解为什么这样算，而又不会摆出过多的会令人看晕的枯燥的数学公式。本培训对CP2K程序的讲解可谓细致到每个角落，对计算各种问题涉及到的CP2K的输入文件写法、各种关键选项会进行特别清晰易懂、细致、系统的介绍，对CP2K计算涉及的关键性的算法（尤其是CP2K独家的）都会掰开了揉碎了解释，使得参加者真正懂得如何又好又快又正确地用CP2K高效率地计算。对每种类型问题，培训里都会给出丰富且非常精心设计的例子，给出全套研究流程（建模、计算、分析讨论），以使得参加者能透彻够领会面对不同类型的问题该怎么研究。把这些例子都充分搞懂后后参加者就有了足够的举一反三的能力应对自己实际课题涉及的计算。参加本培训后，学员将完全具备独立开展第一性原理研究工作、发表相关文章的能力。

本培训里还涉及到并演示许多辅助程序，用于建模、可视化、分析处理等目的，如VMD、GaussView、VESTA、Shermo、phonopy、各种shell和Python脚本等。其中最关键的是北京科音卢天开发的非常知名的电子波函数分析程序Multiwfn（http://sobereva.com/multiwfn）。结合CP2K产生的波函数信息Multiwfn不仅可以做丰富的电子结构分析，Multiwfn还提供了许多其它的CP2K辅助功能，如观看结构和晶体轨道、绘制振动/电子吸收/NMR谱、绘制能带结构、绘制DOS/PDOS/OPDOS、诸多实用的几何操作。还一个尤其重要的是Multiwfn提供了精心设计、长期反复打磨的CP2K输入文件创建功能，在http://sobereva.com/587中对其中一小部分用法做了简略介绍。此功能可以令CP2K输入文件的创建变得异乎寻常的简单！原本需要有经验的CP2K使用者花不少时间写的上百行的输入文件（往往还需要反复试错、查阅许多资料来回折腾最后才能正确跑起来），初学者依靠Multiwfn只需要照着屏幕上的提示敲几下键盘就能轻松创建出来（有些情况再根据实际需要手动稍微编辑几行即可），这扫除了CP2K使用的最大不便和门槛，使得CP2K从使用复杂麻烦的程序摇身变成了使用特别方便省事的程序，比VASP和Quantum ESPRESSO用起来更容易。在本培训中讲解各种例子的时候都会基于Multiwfn来创建输入文件，参加者会深刻感受到借助Multiwfn使用CP2K真是简单、爽滑极了！（但同时也必须掌握许多关键性知识，绝对不能稀里糊涂当黑箱来用，这些知识和要点都是培训里会着重讲解的）。

关于本培训的深度：本培训既不是初级班，也不是中级班，也不是高级班，而是深入浅出、一个课程就能从入门到精通。我们对课程内容做了精心设计，各个主题从CP2K相应功能的基础知识和使用开始讲起，然后讲授的内容再不断加深、扩展，最终令学员有全面深入认识。这样的课程安排使得CP2K和第一性原理计算零基础的学员能顺利上手，又完全不是只学点皮毛程度的初级操作，而是能在反复消化本培训内容后能达到比较高阶、应用自如的程度。由于本培训内容系统性非常强、涵盖的主题广泛、内容十分详尽且很有深度，绝对大多数内容都是在别的地方轻易学不到的，因此我们相信即便是具有很长时间CP2K使用经验的人，通过参加本培训也能达到查缺补漏、深化理解、拓展视野、更新知识、大幅提升整体水平、掌握更多关键性的经验技巧的效果。

很值得一提的是，CP2K的自学难度实在是要用奇大来形容，是所有主流计算程序里几乎最难自学的，因为涉及的知识和大大小小的坑超超超极多，输入文件冗长且逻辑复杂，手册很不理想（写得极其简略和抽象，惜字如金，很多极为关键的要点只字不提），学习资源还颇为匮乏（官方学习资源又少又零散，有的还带有错误、存在误导性、不兼容当前版本，第三方资料更是少之又少）。这几点凡是自学过CP2K的人都会深有感触。因此我们强烈不建议新人自行从网上收集零七八碎的资料去啃CP2K，这样学习效率实在太太太低了，不仅难以在短时间内摸出门道还容易越学越糊涂、感到非常烧脑，还要在翻来覆去的踩坑中白浪费巨量时间。而本培训讲授的内容可谓把CP2K使用的每一个坑都填平了，讲义称为CP2K使用圣经都不过分！我们相信用过一段时间CP2K的人拿到本培训的超高含金量、我们呕心沥血制作的讲义时都将会有如获至宝的感觉！并在参加培训后会感叹之前自己白走了巨量弯路、在反复摸索和碰壁过程中白浪费了太多时间！CP2K如同一部手动挡的车，本培训等同于CP2K的驾校，不通过本培训系统性学一遍而光靠自己鼓捣会遇到多大困难可想而知。本培训讲授者每天在网上回答大量CP2K问题，绝大部分人遇到的困难、犯的低级错误都是由于缺乏此培训里讲的这些关键性知识导致的，不具备这些知识一定会各种胡算瞎算。而进一步，Multiwfn又把CP2K改造成了近乎自动挡的车，本培训讲授的知识与Multiwfn相结合，真是使得CP2K上手和使用变得太容易了！完全使得当年坊间流传的“CP2K难上手”的说法彻底变成老黄历了。

虽然第一性原理计算程序很多、各有各的用法，但做理论计算涉及的背景知识、研究的对象、用到的理论和算法、建模和可视化工具、分析工具、问题的讨论方式等，都是极大程度互通的，交集非常大。由于这些在本培训里都讲得很全面详细，因此即便你是Quantum ESPRESSO、VASP、CASTEP、Abinit、Wien2k、Crystal等其它第一性原理程序的用户，参加本培训也极有好处！本培训广阔的内容远不是让学员仅仅了解CP2K的使用而已，掌握本培训所讲知识后再自学其它第一性原理程序的使用都会没有压力。

本培训的内容会频繁更新，每一届相对于上一届都会添加和修订内容，一方面使得内容更加完美、更加充实、体现第一性原理领域的新进展，另一方面使得培训内容能体现发展迅速的CP2K最新版本的新功能、改进和改动。学员隔一、两年重新参加一次又能够了解到不少新的知识！

往届的本培训得到了学员们的极度好评！培训回顾和学员参后感想见第1届、第2届、第3届，欢迎观看！有学员对本培训的内容丰富程度甚至都用了“叹为观止”来形容！在QQ群里学员对于CP2K的速度以及本培训的感想摘录：

 

关于初学者/新人是否适合参加CP2K培训的问题

鉴于常有人问初学者/新人是否适合参加本培训、什么知识程度的人适合参加，以下再做专门的说明。

首先要指出的是，CP2K程序本身的使用相对复杂，涉及到大量相关的理论和算法知识（而且还是不懂不行的那种），新人想纯凭自己找零七八碎的资料摸索来学习难度如同攀登珠穆朗玛峰（相比之下，学Gaussian这种半傻瓜式的程序的难度属于登香山）。而本培训则给攀登CP2K这座山的人提供了最完美的装备和最好的向导，充分指明了登顶最顺利的捷径、指出了几乎所有可能遇到的坑和各种潜在的危险。我们已尽最大所能令参加者掌握CP2K能尽可能地顺利，并且讲授了充足的背景知识使得参加者有举一反三的能力研究自己的实际问题。所以理解能力正常的CP2K零基础的人靠本培训学习CP2K的使用不会有任何问题。

CP2K培训班假定参加者没有任何CP2K相关知识和第一性原理计算相关知识，但并不假定研究者对计算量子化学方面完全零基础。CP2K培训里用到的很多理论计算的常识性背景知识，比如量子力学、HF/半经验/DFT/后HF/双杂化等方法、轨道/SCF/自旋多重度等常识概念、基函数和基组的概念、GaussView的基本操作（CP2K培训中的大部分建模依赖于此程序）、势能面及相关概念、溶剂效应的背景知识、电子激发相关的背景知识，等等等等，都在北京科音初级班量子化学培训班（http://www.keinsci.com/workshop/KEQC_content.html）里详细讲了（相同主题在北京科音基础（中级）量子化学培训班http://www.keinsci.com/workshop/KBQC_content.html里讲的明显更全面、深入），因此这些东西不会再在CP2K班里花大量时间去重复（顶多是涉及时简单一带而过而已），在CP2K班里详细讲解的理论背景知识是只有在初级量化班里都没专门讲过的那些。因此如果你在理论计算方面真的是完全零基础小白、一丁点计算都没做过、量子化学背景知识丝毫不懂的话，非常建议先参加一次北京科音初级量子化学培训班（如果来不及等到下次，可以随时购买往届资料快速自学，购买方式看以上链接），对于之后参加CP2K培训班绝对大有好处，对课程内容理解起来会明显更顺利。这两个培训在内容、方向和难度上彼此是高度互补的。而且参加初级量化班之后也能认识到对什么问题最适合CP2K、对什么问题有其它明显更好的选择（如Gaussian），看待问题时能有更广阔的视角。

CP2K培训里有很大一部分是讲第一性原理动力学（也叫从头算动力学）模拟，这也是CP2K程序最大长处之一。里面涉及到的相关背景知识，如动力学模拟算法、分子力场、VMD的使用和分析脚本的编写、一些常见的后处理分析、Packmol的使用等，在北京科音分子动力学与GROMACS培训班（http://www.keinsci.com/workshop/KGMX_content.html）都很系统、详细地讲了，在CP2K培训里我们假定参加者已经具备了这些知识。此外，CP2K的动力学模拟部分还会借用到GROMACS自带的一些工具做轨迹分析处理。因此，如果参加者对于CP2K培训里的动力学模拟部分特别关注，而之前在分子动力学模拟方面是完全零基础，很建议先参加北京科音分子动力学与GROMACS培训班（来不及参加的话可以购买往届资料自学，详见其链接）。这样对动力学模拟领域也能有比较全面的理解，清楚地认识到什么情况适合用什么方法、程序来研究。

参加本培训者需要会用Linux基本命令，因为CP2K通常都是在Linux下运行的。我们已提供了非常清楚、详细的安装指导文章，安装起来极其容易，见http://sobereva.com/586，如果遇到安装问题也可以在群里问，我们会尽量提供帮助。CP2K较新版本没有原生的Windows版，因此就算只有Windows的机子也得在里面通过VMware虚拟机或WSL等方式在Linux环境下运行。没有Linux相关常识者请通过Google搜到的学习资源自学，具备基本的计算机常识、理解能力正常的人不超过一个礼拜就能上手Linux。

由于本培训中涉及得最多的是晶体及其表面体系，因此参加者最好具备常识性的晶体方面知识。如果参加者对周期性、晶体都完全没有基本概念，强烈建议自行看看主流的“结构化学”教材中的晶体部分。

 

培训费用

每一届培训费用会酌情调整，目前培训费用如下

• 学生自费价：1750元
• 教师（含博士后）以及企业人员自费价：2050元
• 学生公费价：2600元
• 教师（含博士后）公费价：2900元
• 企业人员公费价：3300元

购买往届资料（等同于不到现场参加。不叫线上培训）：上一届培训的纸质讲义（不提供电子版ppt）、官方的清晰的现场全程录音（没有现场录像）、电子资料（所有输入输出文件、补充电子文档和相关的程序）、10个多小时补充视频（场来不及讲的内容中最重要的部分）可以在随时向北京科音官方购买。纸质讲义通过快递发送（支持顺丰寄往海外，邮费自理），电子资料通过网盘提供。由于讲义内容和讲授音频都极其详细，通过这些资料自学也有较好的效果（如果对不到场学习效果有顾虑的话可以参考以往不到场学员在此帖里的评论）。如果有自学时没搞懂的，可以在下文提及的思想家公社QQ群里问，讲授者都会解答。有购买需求者可随时发邮件至北京科音官方邮箱keinsci@sina.com与我们联系，邮件里请注明要购买的培训班的名称，费用和上面列出的相同。可以开具发票以供报销。

声明：本培训涉及的一切相关资料严禁擅自复制、传播、将内容挪至它用。我们会经常对互联网进行搜索，在计算化学领域的诸多学术QQ群里、公众号或者up主的订阅者里也都有我们的往届学员。非法利用我们的培训资料的行为一经发现，必将严厉追究法律责任、通报相关单位，并且会在计算化学公社论坛上进行公示。

 

培训内容

注：以下没有专门提及的信息在《北京科音办的培训班FAQ》（http://bbs.keinsci.com/thread-5098-1-1.html）里基本都能找到答案。

本培训讲授者为北京科音自然科学研究中心主任卢天，介绍见北京科音官网的“人才队伍”页面。

培训在现场授课四天（4*8=32小时，答疑时间另计）。由于本培训的信息量真是超超超级大，有限的4天时间内讲不完，因此我们还向学员提供10个小时有余的补充视频，相当于额外又讲了一天多的信息量，所以本培训可以视为是4+1.2天的课程。

本培训内容极其浩瀚，精心制作的幻灯片多达超过2200页！！！会以黑白印刷装订成纸质讲义发给每位学员。

培训提供的相关电子文件超过多达2500个以上！！！包括所有所有例子的完整的输入和输出文件、各种培训中用到的辅助程序和脚本、用到的晶体结构文件、重要的电子文档，等等。

每一届现场培训都有专属的QQ群，在现场培训结束后两周内如果对培训所讲的内容有任何疑问、没完全搞懂的地方，以及和培训主题相关的自己科研中的问题，都可以在群里提问。即便在群解散后，我们依然会在精力允许的情况下无限期、无偿地在9000人的国内规模最大、最活跃的计算化学QQ群“思想家公社”（18616395、466017436、764390338，哪个能搜到说明哪个目前能加）和我们创办的世界范围最专业、人气最高的计算化学论坛“计算化学公社”（http://bbs.keinsci.com）中对学员学习和科研过程中遇到的问题进行解答。

培训讲授的主题如下

• 第一性原理计算概述
• 第一性原理计算的理论基础
• 晶体结构和材料高通量筛选的库
• CP2K的基础知识
• 能量的计算及相关问题
• 磁性体系的计算
• DFT+U的计算
• 结构优化
• 电子结构的分析
• 能带结构和态密度的计算
• 振动分析与振动光谱
• 热力学量及能量相关属性的计算
• 过渡态搜索与反应路径的产生
• 第一性原理分子动力学模拟
• 分子力学与QM/MM计算
• 电子激发与X光光谱的计算
• GW的计算
• 隐式溶剂模型的使用
• 弹性性质的计算
• NMR的计算
• 电子g因子与超精细耦合的计算
• 约束性DFT与电子耦合的计算
• 路径积分分子动力学
• 第一性原理程序盘点
• 第一性原理相关书籍

各个主题讲授的具体内容如下，各主题的ppt页数一同列出

• 第一性原理计算概述（40多页）：此部分介绍周期性计算的概念、什么是第一性原理计算、主要研究什么问题、需要考虑什么方面、各程序流行趋势等，并给出15个非常有代表性的文献中的第一性原理研究的例子，使没有相关研究背景的学员对第一性原理计算立刻有一个big picture。并且简述第一性原理计算适合投稿和关注的期刊、给出购买用于第一性原理计算的服务器的建议。
• 第一性原理计算的理论基础（130多页）：讲解第一性原理计算需要了解的固体物理的基础性背景知识，包括固体的电子结构、Bloch定理、k点、晶格矢和倒易晶格矢、布里渊区、高对称点、能带、能带宽度的物理意义、考虑k点时性质的计算方式、Monkhorst–Pack方法、需要的k点数目与晶胞尺寸的关系、k点数目与对称性的关系、k点的奇偶数问题和位移、态密度、价带、导带、带边、带隙、Fermi-Dirac关系、费米能级、费米面、Dirac锥、有效质量、不同类型固体能带特征和导电性、载流子浓度、半导体掺杂的效应，等等。然后讲解周期性体系计算需要掌握的知识，包括DFT和泛函的相关知识、对于不同类型第一性原理计算选用泛函的建议、常见的一些泛函的特点、DMFT、色散校正、为什么杂化泛函很昂贵，等等。然后介绍基函数和赝势层面相关的知识，如平面波及其截断能、原子中心基函数、赝势的概念和类型、PAW、CP2K中的关键性数值算法（OT、GPW、GAPW、影响耗时的因素），其中对GPW/GAPW的各种数值细节会做深入介绍以帮助对数值算法感兴趣的学员充分了解CP2K做DFT的原理以及高效的原因（电子密度的实空间和G空间表象、平面波的截断能与实空间格点间距、GPW的能量表达式、GTH势的形式、GPW静电能的计算、GPW交换-相关能的计算、KS矩阵的构建、GPW准线性标度的实现、GAPW对总密度的划分及能量的计算）。最后介绍其它一些实际计算需要了解的知识，如自旋极化、Wannier函数、DFPT、什么时候用超胞、孤立体系计算要考虑的问题、周期性向非周期性问题的转化、相对论效应、旋轨耦合的影响、非整数计量比物质的计算、周期性计算带电体系的细节（背景补偿电荷、Makov-Payne校正、SCPC方法等）、周期性体系轨道的绝对能量的任意性问题，等等。
  
• 晶体结构和材料高通量计算的库（70多页）：做晶体的第一性原理计算的人必须知道从哪里获得晶体结构，这一节介绍各种知名的收集实验晶体结构的库，使学员明白结构什么样的体系从哪里找结构。介绍的对象包括：剑桥结构数据库 (CSD)、无机晶体结构数据库 (ICSD)、晶体学开放数据库 (COD)、晶体学在线、美国矿物学晶体结构库、WWW-MINCRYST矿物数据库、沸石结构数据库、CSD金属有机框架数据集、MOFX-DB金属有机框架化合物和沸石在线数据库、共价有机框架数据库、二维结构和层状材料数据库。这一节还介绍三个重要的高通量理论计算的晶体体系的库：开放量子材料数据库OQMD、AFLOW材料发现数据库、Materials Project。
• CP2K的基础知识（100多页）：这一节介绍之后做所有CP2K的计算都需要事先了解的预备知识
  (1)CP2K的基本知识：介绍CP2K的基本特征、支持的理论方法、支持的任务和特性、有哪些优点和缺点、适合什么和不适合什么类型体系的计算、考虑k点时功能的局限性、GPU加速、CP2K涉及的各种库、CP2K的相关辅助程序、CP2K的相关资源、CP2K的一般使用流程。
  (2)CP2K的安装和使用：介绍CP2K的并行机制、版本类型、安装方法、运行方法和运行技巧、CP2K报错的解读
  (3)CP2K的输入文件：通过一个最简单的例子令学员马上认清楚CP2K输入文件的大致结构，然后介绍输入文件书写的具体规则、输入文件的预处理指令、输入文件辅助创建工具、自带的各种测试文件、参考手册如何查阅、各种常见字段的关系。之后详细介绍常见计算都离不开的&GLOBAL、&FORCE_EVAL、&CELL、&COORD、&DFT、&MGRID、&XC、&SCF、&QS等关键字段的选项，然后讲解通过CP2K的farming特性实现同时计算多个任务以充分利用CPU资源的方法
  (4)CP2K的基组与赝势：CP2K计算离不开基组，这个部分全面介绍CP2K计算常涉及的各种基组的特点和命名，如原版GTH基组、MOLOPT系列基组、pob系列、ccGRB系列基组等，并且介绍它们都对应什么基组文件，怎么从BSE基组数据库上获取更多基组。之后介绍CP2K支持的各种赝势及对应的文件
  (5)详细介绍控制产生restart文件和输出信息的各种相关选项的含义及用法。这些内容对于充分理解CP2K输出文件的逻辑极其关键，能一次性彻底搞清楚&EACH、ADD_LAST、LOG_PRINT_KEY、BACKUP_COPIES、history restart、iteration level等各种概念到底是怎么回事
• 能量的计算及相关问题（300多页）：
  • 纯泛函的计算：演示GPW下常用的PBE泛函结合赝势基组TZVP-MOLOPT-GTH计算硅晶体，包括单胞、超胞、考虑k点的情况，详细介绍输出文件里各种信息怎么理解、PRINT_LEVEL对输出的影响。然后演示GAPW下用B97M-rV泛函结合pob-TZVP全电子基组计算氯气的晶胞，并顺带介绍全电子势文件的格式。之后演示全电子基组与赝势基组混用对CaMgC₂O₆晶胞做GAPW计算。
  • k点的选择和收敛性测试：介绍&KPOINTS字段的设置细节、k点数目怎么恰当选择、k点数对耗时的影响、如何做k点的收敛性测试（给出测试脚本，并以碳化硅和氮化硼为例演示各个方向同步变化k点和不同方向单独变化k点的情况）。
  • 截断能的选择和收敛性测试：介绍CP2K的积分格点、高斯函数乘积的映射、截断能的概念和选择、控制格点分布的&MGRID字段、CUTOFF和REL_CUTOFF的关系、体系包含的元素元素与截断能的关系、通过基组参数估计GPW计算合适的截断能、任务类型与截断能的关系、格点上交换-相关泛函导数的计算相关问题、解读CP2K计算输出的截断能相关信息，介绍截断能的收敛性测试方法、测试脚本并给出能量随截断能收敛性测试实例。
  • 能量计算的若干相关问题：介绍泛函/基组/体系大小/核数对耗时的影响，给出耗时随核数变化的测试脚本。介绍如何读取初猜波函数、如何计算空轨道、如何输出轨道能级和占据情况、smearing的意义和设置方法、用smearing时能量对零温极限的外推方法、介绍怎么用CP2K以各种方式给出费米能级以及详细解释不同情况下CP2K给出的费米能级的含义、介绍使用Multiwfn计算费米能级。非常全面介绍遇到SCF难收敛时的一切可行的解决策略，介绍用OT时的outer SCF的含义以及相关设置。讲解如何正确加DFT-D3和rVV10色散校正，怎么计算原子受力，如何在计算时加外电场和外电势。
  • 半经验级别的计算：介绍GFN-xTB方法的特点以及能量表达式细节，讲解GFN1-xTB在CP2K中的使用，给出CP2K做GFN1-xTB计算MIL125 2*2*2超胞（1920个原子）的例子使得学员充分领略到GFN1-xTB的高效以及与DFT计算在耗时数量级上的差异。然后介绍CP2K对半经验方法的支持情况以及关键词的正确设置方式，并给出PM6半经验方法的计算晶体的例子。最后介绍DFTB方法的各方面特点、各种形式以及在CP2K中的使用方式、依赖的参数文件，并演示SCC-DFTB做上千原子的有机共价框架化合物体系计算的例子。
  • 杂化泛函的计算：CP2K中杂化泛函的计算的门道极多！不当的设定可能造成结果毫无意义或者完全算不动，必须充分理解CP2K中杂化泛函计算涉及的各方面数值方法细节方能炉火纯青地驾驭CP2K做非常高效且数值精度能满足要求的杂化泛函计算。本节把所有相关知识都做了非常详细的介绍，包括CP2K中杂化泛函计算的基本特征、HF交换作用的库仑截断、对库仑截断的长程校正、积分屏蔽的细节以及精度与耗时的权衡。然后介绍在输入文件复杂的CP2K中如何正确使用各种常见的杂化泛函，如PBE0、B3LYP、BHandHLYP、M06-2X、TPSSh、TPSS0。之后介绍范围分离泛函的使用方法和诸多细节，讲解此类泛函中常见的HSE06、ωB97X、ωB97XD、CAM-B3LYP的使用方法。然后介绍CP2K里极大加速大基组下杂化泛函计算速度的一个黑科技ADMM的原理、设置细节，盘点各种ADMM辅助基组。之后再说明杂化泛函计算用的赝势和基组的选择问题、杂化泛函计算时内存的控制问题、总结各种降低杂化泛函计算耗时的做法、解释杂化泛函计算时常见的The Kohn Sham matrix is not 100% occupied的警告的含义。之后给出杂化泛函计算实际体系的重要例子，包括PBE0/DZVP-MOLOPT-SR-GTH结合ADMM辅助基组admm-dzp计算MOF-5晶体、B3LYP和HSE06结合DZVP-MOLOPT-SR-GTH（利用ADMM）和6-31G*（不利用ADMM）以超胞方式计算Si晶体的gap。最后介绍CP2K中Hartree-Fock的计算、适合搭配的赝势和基组，并示例用HF/DZVP-GTH计算64个水的盒子。
  • 杂化泛函考虑k点的计算：从CP2K 2024.1版开始加入了能够在杂化泛函计算时考虑k点的RI-HFX算法，弥补了以前版本CP2K的一个关键性软肋。在本培训里对RI-HFX做了全面深入的讲解，包括：RI-HFX技术的基本特点、RI-HFX的算法原理详解、耗时与k点数/原子数/体系特征的关系、与RI-HFX精度和耗时密切相关的RI metric算符的类型和选择、做RI-HFX计算的关键设置总结、&RI字段的设置详解、RI-HFX的基组的选择、RI-HFX的辅助基组。之后给出具体的考虑k点的杂化泛函计算例子，包括PBE0/pob-TZVP-rev2计算Li晶体，以及HSE06/TZVP-MOLOPT-GTH结合admm-dzp计算硅原胞，同时会讨论基组的弥散特征是如何对耗时产生关键影响的。特别值得一提的是，本培训里会介绍我们自行探索出的通过修改CP2K源代码实现降低HSE06几倍耗时而几乎完全不牺牲精度的重要技巧！
  • MP2、RPA、双杂化泛函的计算：介绍MP2和RPA的计算公式、特点、彼此间共性和差异、RI近似、在周期性体系上的应用、(EXX+RPA)@DFT方法、低标度版RPA、MP2和RPA计算适合用的赝势基组/全电子基组/辅助基组及其自动构建、CP2K中做RI-MP2/SCS-MP2/SOS-MP2的设置详解。给出RI-MP2计算COF超胞的实例。介绍RI-RPA计算设置，给出RI-(EXX+RPA)@PBE计算尿素超胞的实例。最后介绍双杂化泛函的概念以及CP2K中的实现情况，给出目前最好的双杂化泛函之一的revDSD-PBEP86-D3(BJ)在CP2K中开RI情况的实现方式，以及它计算尿素超胞的实际例子。
  • 降低巨大体系耗时的方法：CP2K中独家的Linear scaling self consistent field (LSSCF)方法可以极大地加速计算几千个原子以上体系的耗时（结合GFN1-xTB时可以令普通双路服务器算得动几万原子体系的能量）。这一节详细介绍LSSCF的原理、效果、在CP2K中的使用方式和经验，然后演示对一个共价有机框架化合物不同尺寸晶胞（360、1440、3240、5760、9000、12960个原子）做普通和LSSCF方式的计算并对比耗时关系，并讨论EPS_FILTER参数对能量精度和耗时的影响。然后介绍CP2K另一个加速计算的方法Local resolution-of-the-identity GPW (LRIGPW)，包括其原理、用到的辅助基组、各方面特点、使用方法，给出利用LRIGPW计算冰的XV结构的晶胞和无穷烯晶胞的例子，并与常规GPW的结果和计算效率进行对比。
  • 低维体系的计算：低维体系是指零维（孤立体系）、一维周期性、二维周期性体系，它们在计算时相较于三维周期性体系有很多关键要点，本节专门进行介绍。包括真空区的考虑，真空层厚度收敛性测试的方法和测试脚本以及测试实例，控制Poisson方程求解的PSOLVER的各种选项的含义、算各种类型低维体系时PSOLVER的选用推荐、不同PSOLVER用于实际问题结果的详细对比。还介绍偶极校正的概念、要点和CP2K中的使用。最后给出零维体系计算实例（S₈）、一维周期性体系计算实例（单链聚氟乙烯）、二维周期性体系计算实例（单层FeCl₂）。
  • 其它：提及CP2K与量子化学程序对比DFT能量需要注意的各种问题、Index to radix array not found报错的解决方法、如何在CP2K中使用Gaussian等主流量子化学程序使用的Stuttgart、Lanl等流行的赝势
• 磁性体系的计算（30多页）：介绍物质磁性的种类、CP2K中计算反铁/亚铁磁性物质的方法（设置MAGNETIZATION、&BS）、自旋密度与磁性的关系。示例Fe₂O₃（赤铁矿）的磁性和反铁磁性状态的计算，详细介绍输入文件的设置、自旋密度和自旋布居的查看。示例磁性的Fe(bcc)原胞的计算，介绍RELAX_MULTIPLICITY和FIXED_MAGNETIC_MOMENT的用法，给出优化Ni晶体原子自旋磁矩的练习。介绍怎么借助Materials project里的信息设置初猜磁矩。介绍怎么以非自旋极化方式计算二重态体系。说明GFN-xTB计算对开壳层体系的处理方式，介绍noncollinear磁性体系。
• DFT+U的计算（约50页）：介绍DFT+U的相关基础知识和概念，包括自相互作用误差（SIE）、Huddard U校正项、DFT+U的思想、DFT+U的能量表达式、DFT+U的使用场合和产生的影响、用DFT+U的各种注意事项。介绍不同程序间U_eff参数的互用问题、获得U_eff参数的各种方法、DFT+U Ramping方法。然后介绍CP2K中DFT+U的具体用法、ENFORCE_OCCUPATION的设置。之后以计算CeO₂的带隙和原子电荷为例详细介绍DFT+U的实际用法。然后介绍DFT+U计算反铁磁性的UO₂，专门强调如何控制其组态。本节还顺带详细介绍CP2K中计算镧系和锕系适合使用的各种赝势基组。
  
• 结构优化（110多页）：首先讲CP2K的结构优化的各方面知识和要领。介绍分别控制结构优化和变胞优化的&GEO_OPT和&CELL_OPT中的各个选项、原子坐标和晶胞收敛的判断（顺带介绍应力张量的概念和计算）、坐标的冻结、结构变化的任务涉及到的波函数的外推（如ASPC）、参考晶胞的意义和设置、结构优化难收敛的各种解决方法、结构优化中的SCF收敛的问题、不同任务计算级别的一致性问题、结构优化任务中途卡住的问题。
  接下来是各种实例，囊括了大多数常见类型体系
  • 实例-CdS晶格参数的优化：通过此例，将展现CP2K做结构优化的各方面细节、产生的各种文件、如何续算、怎么用脚本监控优化的收敛情况。顺带介绍一下怎么用VESTA基于自己优化出的结构绘制粉末XRD谱
  • 实例-Si晶面表面重构的研究：通过此例，介绍表面重构的概念、表面体系建模步骤、结构变化的可视化
  • 实例-NaCl(100)表面弛豫的计算：通过此例，介绍晶体表面弛豫的现象，以及怎么准确地计算表面弛豫情况
  • 实例-甲烷水合物（可燃冰）中氢原子排列的优化：通过此例体现晶体cif文件存在分数占据的情况怎么处理、怎么凭借CP2K中的GFN-xTB方法极快速地优化出此体系中完美的氢键网络结构
  • 实例-二维体系黑磷层间距的优化：此例中将首先介绍磷的各种形态，然后讨论不同泛函、基组、k点设置如何影响优化出来的层间距、如何优化最为得当，以使学员知道如何处理二维晶体。同时给出优化层状顺磁性物质CuCl₂晶胞参数的练习。
  • 实例-沸石吸附小分子的结构优化：通过此例讲解对于多孔物质吸附小分子类型的情况怎么又好又快地优化，顺带对沸石类体系进行简介
  • 实例-Pd(100)晶面对苯分子的吸附：此例体现表面吸附类型的体系怎么建模和优化，并使学员认识到吸附对分子结构可能产生的显著影响。顺带介绍与此主题密切相关的表面吸附的覆盖率的概念，并演示如何旋转晶格来使得表面结构更容易考察
  • 实例-聚噻吩一维结构的优化：通过此例体现无穷延展的一维周期性体系怎么恰当地优化周期性方向的晶格参数，并且除了用常用的纯泛函外还同时演示用对此类体系更好但也更贵的HSE06杂化泛函实现优化
  • 实例-单层γ-石墨炔结构的优化：首先介绍石墨炔的概念，然后演示对这种二维周期性体系如何正确地进行优化，分别使用PBE和PBE0泛函并进行对比
  
• 电子结构的分析（80多页）：首先介绍CP2K产生molden格式的波函数文件的方法，然后介绍对周期性体系的各种较重要的分析，包括观看晶体轨道（其中还包括用Multiwfn对特定的k点的各个轨道进行观看，实例中通过将Au₃Cu晶胞的能带图与特定k点的轨道图像相对照，使学员直观认识到此体系的导电性是由何种电子所贡献的）、考察电子定域化函数ELF（例子有绘制重构后的Si(001)表面的ELF等值面图、在高压下的具有绝缘特征的Na晶体的ELF平面填色图，后者同时顺带讲解基于文献中的晶胞和原子分数坐标构建满足特定空间群的晶体结构的方法）、变形密度（以考察Si晶体中的共价键为例）、Atoms-in-molecules (AIM)拓扑分析、Mulliken布居分析、Mulliken/CM5/Hirshfeld/AIM/REPEAT原子电荷的计算、表面静电势着色图的绘制（以单层COF为例，给出自编的VMD绘图脚本）、计算Mayer键级表征化学键、通过定域化轨道从轨道角度考察化学键、绘制LOL-π展现π共轭路径、IRI展现化学键和非共价相互作用出现区域和类型、轨道成分分析、STM的模拟（以γ-石墨炔为例），等等。此部分绝大部分分析基于强大的波函数分析程序Multiwfn实现。注：在电子结构分析方面北京科音有专门的“量子化学波函数分析与Multiwfn程序培训班”（http://www.keinsci.com/workshop/WFN_content.html），对于相同的主题，此专题培训远远比CP2K培训班讲得深入、全面得多，强烈推荐参加！
• 能带结构和态密度的计算（约70页）：包含以下三大部分
  (1)能带结构的绘制：介绍CP2K计算能带的&BAND_STRUCTURE字段的设置细节、怎么使用SeeK-path在线工具产生高对称点位置信息、泛函的选用、获得能带图的基本流程。然后以立方WO₃晶胞作为例子从头到尾细致入微地讲解计算和绘制能带的完整过程和各种要领。其中会用到Multiwfn提取HOCO、LUCO、带隙信息，会演示怎么用Multiwfn基于CP2K的.bs文件特别方便灵活地绘制效果极好的能带结构图，同时也介绍如何用Origin基于Multiwfn导出的数据绘制颇为理想的能带图。还会介绍怎么用Multiwfn结合CP2K对单胞考虑均匀分布的k点而不依赖于能带计算得到带隙的方法。之后演示磁性体系CrO₂的能带和带隙的计算，以展现对于自旋极化的体系绘制和分析能带需要考虑的问题。演示在CP2K中使用纯泛函里算带隙较好的HLE17泛函算GaSe半导体带隙的方法并展示其相对于PBE泛函的明显优势。演示HSE06泛函计算单层hBN的能带和带隙，一方面令学员了解单层二维体系高对称点的选取方式，另一方面通过对比HSE06和PBE的能带的差异以及与实验值的吻合程度令学员认识使用HSE06计算能带的优势。
  (2)态密度的绘制：介绍DOS的两种绘制方法，一种是原胞考虑k点，一种是超胞不考虑k点。之后以WO3为例演示考虑k点时基于CP2K输出文件用Multiwfn绘制严格的DOS（基于k点积分）的方法，并讨论结果与k点的关系。之后介绍基于CP2K算超胞Γ点的molden文件用Multiwfn方便快速灵活地产生很理想PDOS图的方法，这部分会以立方WO₃的O的p轨道和W的d轨道的PDOS作为例子。同时会提及CP2K自己的DOS和PDOS功能产生的.dos和.pdos文件是怎么回事（实际上根本没实际用处）。之后讲解CP2K结合Multiwfn绘制美观的OPDOS（也称为COOP）的方法，并讲解如何将OPDOS曲线结合Multiwfn显示的晶体轨道图对片段间轨道相互作用进行讨论。
  (3)d-带中心的计算：此部分讲解广泛用于解释和预测过渡金属表面化学吸附强度、催化活性问题的描述符d-带中心的思想、应用、定义。然后以Cu(001)晶面为例讲解如何使用Multiwfn基于CP2K产生的波函数计算其d带中心。
• 振动分析与振动光谱（约150页）：介绍振动分析的基本原理（Hessian、谐振近似、正则坐标、频率值、红外和拉曼活性）、频率校正因子、CP2K振动分析的特性、有限差分计算Hessian的原理、CP2K做振动分析的方法和&VIBRATIONAL_ANALYSIS字段的各种选项、产生红外强度和拉曼活性的具体设置、产生记录振动信息的Molden文件的方法、做振动分析的各种注意事项、CP2K计算Hessian的各种细节和效率/内存的考虑、eig和hess文件、极小点结构做振动出现虚频的原因和解决方法、CUTOFF与虚频的关系的深入讨论、需要CUTOFF相对较低的NLCC赝势的思想、振动分析时对超胞的利用、晶胞参数与振动的关系、冻结设置下的振动分析。
  • 之后将演示尿素的振动分析和振动光谱的绘制、单层GaN的振动分析。通过这两个例子的讲解，学员将了解CP2K振动分析输入文件的正确创建方式、输出信息的细节、怎么用Multiwfn结合CP2K的输出文件绘制理想的红外光谱和拉曼光谱、怎么用GaussView结合我们开发的MfakeG程序观看CP2K计算的振动模式、怎么用Jmol观看CP2K的振动模式。然后演示无水草酸晶体的太赫兹光谱的计算，学员将领会到如何顺利地对分子晶体计算出能和实验相符极好的太赫兹光谱。
  • 接下来详细介绍CP2K振动分析的一个特色，模式选择振动分析（MSVA），它可以有的放矢地只计算感兴趣的振动模式来节约常规完整振动分析所花的时间。这部分将详解MSVA的思想和算法、在&MODE_SELECTIVE里怎么进行相关的设置。然后演示用MSVA对卟啉的氮上的氢原子运动的选择性振动分析（三种方式：着重求解两个氢的振动、着重求解高频模式、着重求解1500 cm-1附近的模式），对输出信息和结果都做细致的分析讨论、与完整振动分析结果进行对比，以令学员领会MSVA的效果和价值。之后对MOF-5吸附COCl₂的体系做MOF-5完整冻结的振动分析和COCl2部分选择性振动分析，令学员了解到吸附体系怎么避免昂贵的完整振动分析计算、用冻结和MSVA会引入何种误差。
  • 最后是声子的计算专题：介绍声子的概念、q点、声子带结构、声子计算的公式细节、动态矩阵。之后介绍做声子计算最流行的第三方程序phonopy的功能、安装、使用，以及同作者搞的京都大学声子数据库。然后以NaCl晶体为例介绍CP2K结合phonopy计算声子相关属性以及可视化结果的完整流程，学员将明白怎么获得声子带结构、声子DOS、声子PDOS，其中还讲解各种细节，使得学员能深入领会结果、能够变通。此外还介绍其它相关知识，包括用phonopy-bandplot绘制声子带、用Phonon website观看不同q点不同频率的声子的振动动画、非解析校正项、Born有效电荷张量、声子群速度、optical和acoustic振动模式、虚频与晶体结构稳定性的关系。最后讲解温度依赖的声子信息的相关知识（介绍声子与温度之间的关系、基于分子动力学模拟产生声子相关信息的原理、实现此目的的DynaPhoPy程序的功能和应用）
  
• 热力学量与能量相关属性的计算（110多页）：本节分为五个部分，学习之后学员将能够轻车熟路又好又快地研究各种热力学问题
  • 热力学量的计算原理：计算热力学量的意义、常见的热力学量（内能、焓、熵、亥姆霍兹和吉布斯自由能、等压和等容热容）、热力学量之间的关系、热力学量的成份、平动/转动/振动/电子产生的热力学贡献的细节和具体公式、计算热力学量的关键要点、表面吸附体系的热力学量的特点、表面吸附过程对应的自由能变化、表面吸附的构型熵、凝聚相体系在特定温度和压力下体积和自由能的确定方法、等压热容的计算原理、热膨胀系数的计算原理。通过这一节，学员将充分领会热力学量研究涉及的各种原理知识。
  • 计算热力学量的程序的使用：盘点基于CP2K计算热力学量的方式、介绍北京科音卢天开发的灵活强大的计算热力学量的程序Shermo（http://sobereva.com/soft/shermo）、给出完整的使用CP2K+Shermo计算C₆₀晶体的特定条件下的热力学量和考察热力学量随温度变化的例子、给出使用phonopy计算Si晶体的热力学量的完整例子并讨论各种相关细节。
  • 体相的能量相关性质的计算：这一节详细介绍固体的各种关键性热力学量的背景知识、计算方法，并给出非常详细具体的计算例子，包括内聚能、形成能、缺陷形成能、离子晶体的晶格能、分子晶体的晶格能。计算例子包括标况下硅晶体的内聚能、CaO标况下的生成焓、GaAs的缺陷形成能、MgF₂的晶格能、冰的晶格能。最后会对计算属性使用的热力学量做一个总结。
  • 表面能的计算：首先详细介绍表面能的概念和计算方法、要点，然后介绍与之密切相关的Wulff construction、元素晶体表面能数据库（http://crystalium.materialsvirtuallab.org），之后给出非常详细完整的计算Au(100)、Au(111)以及表面重构后Au(100)的表面能的例子。
  • 功函数的计算：详细介绍功函数的概念，介绍什么叫表面电场，然后深入介绍和对比两种功函数的计算方法，然后介绍平面平均与宏观平均Hartree势的概念。之后给出计算Pt(111)的功函数例子。接下来介绍与功函数同样重要的电离能和电子亲和能的概念和计算方式。最后介绍Band alignment和vacuum level alignment是怎么一回事。
• 过渡态搜索与反应路径的产生（110多页）：首先介绍几个重要的相关概念，包括能量最小路径（MEP）、过渡态（TS）、反应势垒，然后介绍CP2K中搜索过渡态和产生反应路径的功能，之后分别对dimer方法和NEB类方法分别深入讲解并给出丰富例子，如下所示
  • dimer方法：详细介绍dimer方法的原理、CP2K中dimer方法的使用方法（&DIMER中的各种选项、收敛控制、初始朝向、各种要点和经验）、CP2K中dimer任务的计算流程、过渡态初猜结构的构建。之后分别给出孤立体系和周期性体系的实例，包括用GFN1-xTB下搜索3+2环加成反应的过渡态（重复RSC Adv., 5, 62248 (2015)中的研究）、用PBE研究6,6,12-石墨炔上的Li原子扩散机制。例子中详细介绍程序使用、操作细节、后处理分析。
  • NEB方法：介绍chain-of-states类方法的思想、NEB的原理、NEB的各种变体（B-NEB、CI-NEB、D-NEB、IT-NEB、string）、CP2K中CI-NEB方法的使用（透彻介绍各种相关关键词和字段，讲授各种重要经验和细节）、使用sobNEB程序（http://sobereva.com/660）插点的方法。之后给出精心设计的一系列例子并做出透彻讲解，例子涵盖面非常广，足矣保证学员参加后能非常自如运用NEB游刃有余地探究各类实际问题。例子包括甘氨酸的构象变换、Cu(001)表面的银原子迁移、质子穿越石墨烯、钠原子在富勒烯晶体中的迁移、Au(111)表面H₂分子解离、Ir(001)表面活化甲烷。最后给出一系列练习以便学员自我检验，包括石墨炔上锂原子扩散、石墨催化消除SO₂、Fe(100)表面上的CO解离、CH₄在Ni(111)上的解离。最后介绍重要的表面反应数据库Catalysis-Hub.org。
• 第一性原理分子动力学模拟（200多页）：第一性原理动力学模拟是CP2K最大长处之一，速度远胜于其它程序，而且非常成熟、完善，因此本培训花很大一部分时间对其做深入全面的讲解。本部分包含以下内容
  • CP2K中做分子动力学的基础知识：完整讲解控制CP2K中动力学的&MD字段的各种选项（系综、步数、步长、初始化、整体运动、温度控制、热浴类型及作用对象、变温过程的控制、压浴、restart文件、输出信息控制、轨迹格式，等等），介绍CP2K轨迹在VMD中的载入、轨迹的周期性修正、动力学过程中输出电子结构信息、动力学过程中输出实空间函数的格点数据、直接设置初速度的方法、守恒量的意义和监控、动力学过程中的SCF收敛问题、步长的选择问题、盒子尺寸的选择问题、结构优化和动力学模拟过程中冻结/约束/限制的设置方式
  之后结合各种实例进行讲解，这些例子覆盖了几乎所有第一性原理动力学的应用领域，从而使学员拥有研究同类型问题的能力
  • 实例1 (Na,K)Cl熔盐性质的模拟：结合此例介绍用packmol根据研究目的创建初始结构、创建DFT的分子动力学输入文件、监控各种输出信息、绘图检查预平衡过程中的收敛情况（顺带专门介绍gnuplot的plot命令的用法）、在VMD里多帧叠加方式观看离子扩散轨迹以及离子的概率分布、强调对含Na体系设置CUTOFF的注意事项、介绍利用VMD以及GROMACS程序中的gmx msd计算CP2K产生的轨迹的扩散系数、介绍径向分布函数的计算和Na-Cl的PMF的计算、介绍PMF表现的自由能垒和电子能垒的关系。最后提及相对于此例进一步提高模拟质量可以做的改进（带都需要花费更高的计算代价）
  • 实例2 高温下烷烃裂解的模拟：介绍热解的概念、用于考察热解的正癸烷盒子的构造方法、GFN-xTB做动力学需要考虑的特殊设置、瞬时耗时的监控与电子结构变化的关系、图形化考察解离现象和保持片段完整性的轨迹修正、利用自写的VMD脚本获得各种热解产物片段的数目随时间的变化、对数目随时间变化曲线作图（包括数据的平滑化处理）。顺带简要介绍一些现成的反应性动力学过程中物质组成的分析工具
  • 实例3 通过退火产生无定型二氧化硅：此例介绍从二氧化硅晶体出发得到无周期性的无定型二氧化硅的全过程。包括利用VMD构建二氧化硅超胞、在便宜又靠谱的GFN-xTB级别下做高温动力学模拟和缓慢降温动力学模拟、监控温度和晶胞尺寸变化、通过VMD和GROMACS里的gmx rdf绘制径向分布函数对比晶态和非晶态结构特征，最后用DFT优化晶胞来refine结构。
  • 实例4 Na离子在富勒烯晶体中的迁移动力学：此例体现怎么做动力学研究较高温度下分子晶体中的离子扩散问题，会使用GFN-xTB做富勒烯原胞中加入钠离子的动力学，讲解模拟过程中离子迁移行为和富勒烯自发旋转的可视化分析技巧
  • 实例5 水合电子的模拟：此例介绍在杂化泛函PBE0下模拟64个水构成的带-1净电荷的体系，此例专门讲解如何在动力学过程中不断输出自旋密度格点数据，然后依靠我们编写的VMD脚本绘制模拟整个过程中自旋密度等值面的变化动画，从而非常直观、灵动地看到水合电子在动力学过程中的完整的自发形成过程。
  • 实例6 TiO₂与水界面的模拟：此例用于展现固-液界面类型体系怎么模拟。会详细演示构造锐钛矿(101)晶面以及真空区加水的过程，之后演示先做一段时间NVT动力学令体系稳定化，然后再做考虑控压的NPT使得水层密度自发变得合理的过程。此例还注重考察TiO₂表面的水的形态特征，并强调使用杂化泛函的必要性。
  • 实例7 TiO₂光催化水析氧反应中间体的模拟：此例会介绍与此例直接相联系的光催化的背景知识，然后讲解基于PBE0-D3(BJ)泛函做动力学模拟TiO₂表面吸附OH自由基的状态，这是光催化析氧反应其中的关键性一步。此例通过对原子自旋布居的监控以及自旋密度图来考察OH自由基的存在状态。
  • 实例8 质子轰击石墨烯层的模拟：此例模拟质子以很高动能撞击石墨烯的过程，将讲解手动设置初速度、动能与初速度的转换、考察不同动能撞击结果的差异，并介绍在VMD中利用脚本读取CP2K产生的原子速度信息并根据速度进行着色来直观考察动能的变化和传递、绘图考察动能与势能的转化
  • 实例9 用MSST方法模拟石墨在冲击压缩下变成金刚石：MSST是一种独特的模拟冲击波前方压缩条件下动力学行为的方法（与简单地设置高压条件做动力学截然不同），也是CP2K动力学功能的特色之一。此例讲解MSST的原理和应用、在输入文件里的设置和相关门道，然后详细介绍模拟的11 km/s的极高速冲击下石墨变成金刚石的完整全过程。
  • 基于分子动力学获得振动光谱：这是一个动力学特殊应用的专题。将讲解基于动力学获得振动光谱的特点、原理、相对于静态地计算振动光谱的优点和缺点、如何利用CP2K的动力学模拟产生的信息结合第三方的calc-ir-spectra.py脚本产生红外光谱。将会给出基于DFT的动力学获得常温下甲醇分子的红外光谱的完整过程并介绍技术细节、分析偶极自相关函数。然后介绍通过动力学获得凝聚相体系的红外光谱的标准方法，以及简要介绍利用TRAVIS程序基于Wannier中心和Voronoi积分方式得到红外光谱的方法。
• 分子力学与QM/MM计算（约100页）：CP2K虽然主要以基于量子力学（QM）的方法为主，但也同时具有分子力学（MM）的计算功能。虽然在基于经典力场的计算方面CP2K对大体系的效率远不及专门的基于分子力场的程序如GROMACS，但CP2K这方面则支持更多的势函数（如适合描述金属的EAM）。而且CP2K的QM与MM相结合可以做QM/MM的各种任务，如结构优化、找过渡态、产生反应路径、分子动力学等等。本节分为MM和QM/MM两大部分，如下所示
  • 分子力学（MM）计算部分：先完整介绍各种MM计算涉及的相关知识，包括CP2K的分子力学计算功能、CP2K的分子力学计算的相关特征、支持的成键势函数、支持的非键势函数、&MM字段、静电作用计算方式的设置、原子电荷的指定、成键项参数的指定、连接关系的判断、非键项参数的指定、1-4非键项的设置、从力场文件中直接读取参数、原子类型和元素信息的指定、&FORCEFIELD中的其它值得一提的设置、分子KIND的概念、CP2K优化力场参数的功能。之后给出一系列非常详细、具体的MM计算的例子，包括Ar₁₉Kr₁₉团簇的几何优化、CI-NEB方法研究Ar₇团簇的构型转换、丙氨酸骨架psi和phi二面角参数的二维势能面扫描和作图（依靠脚本实现）、水中的氨基酸的NVT动力学模拟、基于CHARMM36m和TIP3P做水中1UBQ蛋白质的几何优化（其中利用VMD的AutoPSF界面创建用到的psf拓扑文件以及加水）、基于EAM势模拟Cu棒一端固定另一端在高温下的熔化行为。
  • QM/MM部分：CP2K做QM/MM涉及的知识和细节极多，好在有本培训对其做全面、透彻、清晰的讲解，使得学员用起此功能来不会再有压力。这部分介绍QM/MM方法的原理、CP2K对QM和MM间静电相互作用的考虑、CP2K独家的GEEP方法、详解CP2K中做QM/MM计算的常规设置及&QMMM字段、QM与MM区域间的非键作用计算的考虑、QM与MM区的link的设置、周期性QM/MM的去耦合问题、常用的QM/MM输入文件模板。之后给出各种做QM/MM的例子，涵盖不同类型体系，以帮助学员运用前面所讲知识考察实际问题、更进一步领会关键词的设置方式。例子包括QM/MM描述KCl (001)表面的几何优化、Cu(111)面上吸附CHP分子的结构优化、Image charge augmented QM/MM (IC-QM/MM)方法的原理以及研究Au(111)表面吸附鸟嘌呤、水中苯酚分子的QM/MM动力学（用到AmberTools产生拓扑和结构文件）、QM/MM计算蛋白质催化小分子反应。然后简要介绍最广泛的基于分子力场的动力学程序GROMACS和CP2K的接口的功能和优缺点（GROMACS+CP2K联用研究实际问题不属于本培训举例讲解的内容，毕竟需要研究者会熟练使用GROMACS。这部分会在北京科音高级分子动力学培训班里讲解）。最后介绍如何通过CP2K灵活的多种能量/受力自定义组合的方式实现关于减法式QM/MM。
• 电子激发与X光光谱的计算（110多页）：CP2K具有非常高效的对周期性大体系做电子激发计算功能。本节分为两大部分：
  • 价层电子激发计算部分：介绍重要的周期性体系的电子激发计算方法（TDDFT、TDA-DFT、sTDA和sTDDFT、GW-BSE、ΔSCF、约束性SCF）、概述CP2K的电子激发计算功能、介绍Multiwfn对CP2K电子激发计算支持的重要的分析方法（空穴-电子分析、NTO、跃迁密度分析等）、CP2K做TDDFT用的&TDDFPT中的各种重要的选项详解、激发态势能面研究相关设置、杂化泛函结合ADMM的设置、做sTDA的设置、TDDFT的续算、监控迭代过程中各个态的激发能变化。之后给出完整且十分详细的TDDFT实例，充分涵盖各种应用场景，包括靛青（indigo）的激发态计算和分析以及用Multiwfn基于CP2K输出文件绘制UV-Vis谱、丙酮的S1激发态结构的优化、单层富勒烯的光学gap的计算以及从轨道角度分析电子激发特征、H₂CO分子晶体的UV-Vis光谱绘制与电子激发分析、考察吡啶S2态偶极矩相对于基态的变化本质、对Donor-π-Acceptor型分子晶体做电子激发计算和分析。之后讲解用簇模型和周期性模型对分子晶体做电子激发计算的差异和各自的优缺点、介绍用spectral warping法修正纯泛函计算的晶体的UV-Vis谱以得到杂化泛函质量的结果。然后讲解CP2K在做TDDFT时考虑旋轨耦合的功能的原理和使用，并以dithiin分子作为例子详细解读输出文件并演示利用Multiwfn对这种SOC-TDDFT计算产生的数据绘制UV-Vis光谱的方法。
  • X光吸收光谱部分：先充分介绍什么叫X光吸收光谱（XAS）、有什么意义，然后讲解计算XAS的泛函和基组的选择、CP2K的XAS计算功能、详解相关设置（&XAS_TDP字段里各种选项的用法、donor态的设置、积分格点的设置、激发态自旋类型设置、计算的态数的设置、旋轨耦合的设置、GW2X校正等等），然后给出一系列实例令学员能充分掌握CP2K强大的XAS计算功能各方面特征的用法，包括CO₂分子中O的K-edge XAS、NaAlO₂晶体的Al的K-edge XAS、TiCl₄分子的考虑SOC的Ti的L-edge XAS、NH₃分子晶体的考虑GW2X校正的K-edge XAS，所有的XAS都使用Multiwfn基于CP2K输出文件绘制。学员会充分领会到Multiwfn对于CP2K的电子激发研究真是必不可少。
• GW的计算（50多页）：GW是高精度计算准粒子能级（与电离能、电子亲和能相挂钩）的标准方法，CP2K具有高效的GW计算功能。本节会非常详细介绍相关背景知识，包括准粒子的概念、GW近似的关键知识（KS-DFT轨道能量的校正、self-energy、G₀W₀、evGW、scGW等）、文献中的GW的应用例子、GW详细的物理背景、做GW的泛函的选择、CP2K的GW功能及其它能做GW的程序介绍、CP2K的Γ点GW计算的周期性校正、详解CP2K中GW的计算设置。之后给出GW计算实例，包括标准GW代码和低标度GW代码计算蒽分子、自旋极化单重态体系6-anthene的低标度GW计算、周期性体系LiH的GW计算、单层MoS₂的考虑k点的周期性低标度GW计算 。还介绍专门面向二维周期性体系的&FORCE_EVAL / &PROPERTIES / &BANDSTRUCTURE对应的低标度GW模块。最后给出许多GW的课外阅读资料。
• 隐式溶剂模型的使用（约40页）：隐式溶剂模型不仅对于量子化学研究特别重要，对于第一性原理研究固液界面等情况也非常重要，本节专门介绍在CP2K计算中对溶剂模型的利用。内容包括：简述溶剂模型的基本概念，深入介绍CP2K中的SCCS隐式溶剂模型的思想和细节（对其它计算程序和其它溶剂模型也顺带进行简介），介绍CP2K中SCCS的使用方法和要点，以及许多实际问题，如SCCS的一些局限性和缺点、用SCCS时SCF难收敛的解决、SCCS溶剂参数的获取。之后极其详细地讲解SCCS的使用例子，包括计算乙醇在甲苯中的溶解自由能、考察氯化钠和氮化硼表面亲水性的差异（以单位表面积的水合自由能体现）、计算隐式水环境对Pt(111)表面与水分子相互作用能的影响。这些例子中还专门讲解怎么去可视化介电函数和极化电荷密度，从而判断SCCS计算的合理性、直观认识隐式溶剂产生的极化效果。
• 弹性性质的计算（40多页）：首先充分详细介绍所有相关的背景知识，包括应力、应变、弹性模量（杨氏模量、剪切模量、体积模量）、泊松比、线性压缩率、弹性张量、弹性属性的各种计算方法、可以完整计算弹性张量的程序、弹性张量的分析和可视化（特别介绍ELATE在线程序）、状态方程。之后给出一系列基于CP2K计算弹性相关问题的实例，包括：
  (1)拟合Ca晶体的状态方程。其中基于shell脚本进行能量-体积关系的扫描，然后在Origin里通过自定义函数实现状态方程中的参数的拟合
  (2)计算黑磷的应力-应变曲线并拟合杨氏模量。其中基于shell脚本做应力-应变曲线的计算，然后得不同晶胞方向的杨氏模型的数值
  (3)计算Cu晶体的泊松比。对人为变形后的晶胞做变胞优化，然后根据不同方向应变比例得到泊松比
• NMR的计算（近40页）：介绍NMR计算的基础知识和算法、CP2K的磁性质相关的计算功能的特征、NMR计算的泛函和基组的选择、CP2K计算NMR的写法（详细深入介绍&PROPERTIES、&LINRES、&NMR、&CURRENT、&LOCALIZE字段的设置）、CP2K的NMR任务的计算流程。之后给出一系列实例，包括四甲基硅烷磁屏蔽张量的计算、氧杂环丁烷的化学位移的计算与NMR谱的绘制、周期性体系MIL125金属有机框架化合物的化学位移的计算。专门举例强调对周期性体系用足够大的晶胞算NMR结果才可能准确的关键要点。本节的NMR谱都利用Multiwfn基于CP2K输出文件绘制，学员会感到真是非常方便灵活。
  
• 电子g因子与超精细耦合的计算（20多页）：介绍EPR g张量的概念，以SiH₃ g张量的计算为例详细介绍CP2K中计算g张量的方法。介绍超精细耦合的概念和计算原理、CP2K中超精细耦合的计算的方法、超精细耦合计算级别的选择。之后给出两个实例，一个是分子体系的PH₄超精细耦合的计算，另一个是L-α丙氨酸自由基晶体的超精细耦合的计算，通过这两个例子学员将会领会超精细耦合计算和分析的各种关键性细节和注意事项。
• 约束性DFT与电子耦合（电荷转移积分）的计算（70多页）：约束性DFT计算（CDFT）是CP2K中的一个颇具特色的功能，通过本节学员将体会到CDFT的独特价值。其中将介绍CDFT的基本概念、各种实际用处、支持CDFT的各种程序、CDFT的算法细节。然后介绍CP2K中的CDFT功能的特性、计算设置、输出的文件。之后给出利用CDFT计算分子间电荷转移激发能的实例，其中对CDFT的设置细节和要点，以及怎么分析结果做透彻的讲解，同时还顺带专门提及CDFT的约束方式的等价性、CDFT中对自旋极化的考虑问题。第2个例子是CDFT用于晶体体系的实例，是通过CDFT研究含有两个氧空位的带+1电荷MgO晶胞的透热态（正电荷定域在一个空位）和绝热态（正电荷平摊在两个空位）的几何结构的差异以及空穴分布，顺带还介绍可视化权重函数分布的方法。第3个例子是利用CDFT实现NH₃...ClF分子间电荷转移能的原理上非常严格的计算，其中利用片段孤立状态的密度之和来定义权重函数。之后是一个与CDFT有直接联系的专题内容，即电子耦合（也叫电荷转移积分）的计算，这和计算电子转移速率的Marcus理论密切相关。其中将会介绍Marcus理论的思想、电子耦合的常见计算方法（GMH、FODFT、CDFT、POD），然后给出利用CP2K通过CDFT计算苯...氯原子的电子耦合实例，然后再给出CP2K中通过POD方法便利地计算呋喃二聚体电子耦合的例子。以完全同样的方式还可以研究周期性体系，比如被吸附的分子与固体间的电子耦合，培训里会简介这种应用。
• 路径积分分子动力学（40页）：介绍路径积分分子动力学的基本知识，包括PIMD的思想、表达式、物理属性的计算、珠子的选取、珠子坐标的变换、降低PIMD耗时的方法、减少达到收敛所需珠子数的方法、近似的量子动力学方法、一些有代表性的PIMD应用例子、支持PIMD的程序，并给出很多相关资料作为扩展阅读。之后具体讲解使用CP2K做PIMD的方法，并以Zundel离子(H₅O₂)+的PIMD研究作为例子令学员了解实际计算的细节和分析方法。
• 第一性原理程序盘点（50多页）：对CP2K以外的有一定知名度的第一性原理程序的特点和功能做简要介绍，以便读者根据实际研究需要选择其它程序作为CP2K的补充，以及看到文献中的其它计算程序时能知道是何物。介绍的包括：Quantum ESPRESSO、SIESTA、Abinit、WIEN2k、CPMD、CASTEP、Crystal、OpenMX、GPAW、exciting、JDFTx、FLEUR、ABACUS、FPLO、Dacapo、FHI-aims、QuantumATK、ONETEP、ACE-Molecule、Dmol3、BAND、DFTB、DFTB+、BigDFT、Elk、VASP。还会介绍几个能算周期性的量子化学类程序，包括Gaussian、Turbomole、NWChem、PySCF、MOPAC、xtb。还介绍几个辅助性的第一性原理程序YAMBO、Wannier90、BerkeleyGW。
• 第一性原理相关书籍（30多页）：介绍约30本与第一性原理计算有关的专著，供学有余力的学员选择性阅读以了解更多知识、作为本培训的补充。