PWscfでシリコンのバンド構造

3. グラフェンのバンド構造と状態密度を参考に Quantum ESPRESSO(PWscf)を用いてシリコンのバンド構造を計算してみました。

Si-band.png
Fig.1: シリコンのバンド構造



セルフコンシステント計算


以下のようにシリコンの入力ファイルを作ります。
何らかの作成補助を使うとラクかもしれません(参考: PWscfの入力作成補助)。
今回は構造緩和を行うため vc-relax を利用しました。

xtl2pw.pw Si.xtl vc-relax 1


このままだと単位胞に原子を8個含む単純立方格子なので、ブラベ格子を fcc (ibrav=2)にして ATOMIC_POSITIONS もそれに倣うように編集し、これを走らせます。

mpirun -np 4 pw.x < Si.relax.in | tee Si.relax.out


&control
calculation='vc-relax' ,
restart_mode='from_scratch' ,
prefix='Si' ,
outdir = './Si/' ,
wfcdir = './Si/' ,
pseudo_dir = './' ,
disk_io='default' ,
forc_conv_thr= 0.001 ,
verbosity = 'default' ,
nstep = 100 ,
/
&system
ibrav= 2 ,
celldm(1) = 10.26221441
nat = 2 ,
ntyp = 1 ,
ecutwfc = 50.0 ,
ecutrho = 250.0 ,
/
&electrons
electron_maxstep = 100 ,
mixing_beta = 0.7 ,
! use smaller conv_thr for better results ,
conv_thr = 1.0d-12 ,
/
&ions
ion_dynamics='bfgs' ,
/
&CELL
cell_dynamics = 'bfgs' ,
press = 0.001,
press_conv_thr = 0.05 ,
! cell_dofree = 'xyz' ,
/
ATOMIC_SPECIES
Si 28.086 Si.pbe-n-kjpaw_psl.0.1.UPF
ATOMIC_POSITIONS crystal
Si 0.000000 0.000000 0.000000 0 0 0
Si 0.250000 0.250000 0.250000 0 0 0
K_POINTS automatic
4 4 4 0 0 0


nscf計算


セルフコンシステント計算の入力ファイルをコピーして nscf 計算の入力ファイルを作成します。

cp Si.relax.in Si.nscf.in


その後、以下の点を編集します。

  • calculation='bands'
  • nbnd=12
  • K_POINTS {crystal_b}


nbnd はバンドの数です。省略すると価電子数の半分×原子の個数(Siの場合はnbnd=4)となります。そうすると、半導体の場合は、価電子帯のみが計算されることになるので、少し大きめに取っておくほうがいいと思います。今回は nbnd=12 としました。

K_POINTS {crystal_b} の後の L 20 とかは、バンド構造をプロットする特徴的なk点のパスです。
最初の数字が特徴的なk点の数(だと思う)で、文字の後の数字が分割数(だと思う)です。LはL点、gGはΓ点で、この標記で使える点の名前は Doc/brillouin_zones.pdf を参照との事です。

mpirun -np 4 pw.x < Si.nscf.in | tee Si.nscf.out


なお nscf 計算用の入力ファイルの格子定数などは、構造緩和をする前の値のままですが、実際の nscf 計算では、ちゃんと構造緩和後の値を使ってくれます。

&control
calculation='bands' ,
restart_mode='from_scratch' ,
prefix='Si' ,
outdir = './Si/' ,
wfcdir = './Si/' ,
pseudo_dir = './' ,
disk_io='default' ,
forc_conv_thr= 0.001 ,
verbosity = 'default' ,
nstep = 100 ,
/
&system
ibrav= 2 ,
celldm(1) = 10.26221441
nat = 2 ,
ntyp = 1 ,
ecutwfc = 50.0 ,
ecutrho = 250.0 ,
nbnd = 12 ,
/
&electrons
electron_maxstep = 100 ,
mixing_beta = 0.7 ,
! use smaller conv_thr for better results ,
conv_thr = 1.0d-12 ,
/
&ions
ion_dynamics='bfgs' ,
/
&CELL
cell_dynamics = 'bfgs' ,
press = 0.001,
press_conv_thr = 0.05 ,
! cell_dofree = 'xyz' ,
/
ATOMIC_SPECIES
Si 28.086 Si.pbe-n-kjpaw_psl.0.1.UPF
ATOMIC_POSITIONS crystal
Si 0.000000 0.000000 0.000000 0 0 0
Si 0.250000 0.250000 0.250000 0 0 0
K_POINTS {crystal_b}
5
L 20
gG 20
X 20
W 20
gG 20


プロット用データの出力


このまででバンド計算は完了しています。次に gnuplot でプロットしやすい形式に直します。
以下のように Si.band.in を用意します。

&bands
outdir = './Si/' ,
prefix='Si' ,
filband='Si.band' ,
lsym=.true.
/


実行ファイルは bands.x です。

mpirun -np 4 bands.x < Si.band.in | tee Si.band.out


実行後に作成された Si.band.gnu が gnuplot 用の数値データです。

プロット


gnuplot でプロットするための plt ファイルとして以下のようなものを準備しました。

set terminal pngcairo size 520,390
set output "Si-band.png"

## *** Plot range ***
x1=0.8585
x2=1.8499
x3=2.3455
xmax=3.4539
set xrange [0:xmax]
set yrange [-15:10]

ef=5.9827

set xzeroaxis
set grid x

set ylabel "Energy (eV)"
set xtics ("{L}" 0, "{/Symbol G}" x1, "{X}" x2, "{W}" x3, "{/Symbol G}" xmax)
set x2tics ("{L}" 0, "{/Symbol G}" x1, "{X}" x2, "{W}" x3, "{/Symbol G}" xmax)

plot "Si.band.gnu" u 1:($2-ef) w lp not


特徴的なk点の座標は Si.band.out の中を見ると、以下のように書かれています。

     high-symmetry point:  0.4957 0.4957 0.4957   x coordinate   0.0000
high-symmetry point: 0.0000 0.0000 0.0000 x coordinate 0.8585
high-symmetry point: 0.0000 0.9913 0.0000 x coordinate 1.8499
high-symmetry point: 0.4957 0.9913 0.0000 x coordinate 2.3455
high-symmetry point: 0.0000 0.0000 0.0000 x coordinate 3.4539


エネルギーの単位は eV のようです。

Too many bands... と言われる場合


バンド計算をすると Too many bands are not converged from nscf calculation というメッセージが出て計算が止まることがあります。Google 検索をすると対策として下記の[Pw_forum] Too many bands are not converged from nscf calculationがヒットします。

Hi,Zhiting Tian
"Too many bands are not converged" can be solved for two way:
1.increase ecutwfc
2.decrease conv_thr
or both do them.

Best
Regards
--
Yun Song,Kang
Physical Science and Technology of Inner Mongolia University.
-------------- next part --------------
An HTML attachment was scrubbed...
URL: http://www.democritos.it/pipermail/pw_forum/attachments/20110926/8f5f3309/attachment.htm


ここに書かれている通り ecutwf を大きくするか、conv_thr を小さくすると計算できるようになります。

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tag: バンド構造 QuantumESPRESSO PWscf 分散関係 

DFT計算用データベース MatNavi

AkaiKKR(machikaneyama)ecalj, Quantum ESPRESSO(PWscf)といった第一原理計算パッケージを用いるには、色々なデータベースがあると便利です。

物質・材料研究機構(NIMS)が、この目的に適したデータベースを公開しています。
利用にはユーザー登録が必要ですが無料です。ユーザー登録自体はとても簡単です。今回は、雰囲気を紹介するためにいくつかのデータを見てみます。


状態図


実際に計算する物質が組成や温度によってどのような相を撮るのかを確認しておくことは重要です。計算状態図データベース(CPDDB)には、熱力学パラメータから計算された状態図が収録されています。例えば、以下に示すのは Fe-Cr の二元系状態図です。

crfe_lee.png
Fig.1: 計算状態図データベース(CPDDB)で見ることが可能な状態図の一例、 Fe-Cr 二元系状態図。


結晶構造


実際の第一原理計算には、格子定数や原子位置などの詳細な結晶構造データが必要です。

無機材料データベース(AtomWork)では、これらのパラメータやX線回折パターンを表示することが出来ます。

2018y06m10d_005628909.jpg
Fig.2: 無機材料データベース(AtomWork)で見ることの出来る結晶構造の一例、MgAl2O4の結晶構造。ただし、実際にはCIF形式のファイルをダウンロードしてVESTAなどで描画するほうが便利なことが多い。


更に結晶構造を記述するCIF形式のファイルをダウンロードすることも可能です。色々な第一原理計算パッケージがCIFから入力ファイルを作成する機能を持っています。たとえば本ブログでもCIFからecalj入力の作成, CIFからecalj入力の作成 その2です。

またCIFから直接入力ファイルを作る機能が無いDFTパッケージであってもVESTAなどを経由して比較的に簡単に入力ファイルを作成することが出来る場合も多いです。例えばVESTAでAkaiKKRのための基本並進ベクトルPWscfの入力作成補助などです。

バンド構造


第一原理計算を実行する際、既知のバンド構造の計算結果と比較して、答え合わせを行っておくことはとても重要です。電子構造計算データベース (CompES-X)を利用してバンド構造や状態密度などを確認することが出来ます。

2018y06m09d_234430344.png
Fig.3: 電子構造計算データベース (CompES-X)で確認できるバンド構造の一例、PbTeのバンド構造。


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tag: AkaiKKR machikaneyama ecalj QuantumESPRESSO 状態図 分散関係 状態密度  

Kelvinの公式でSeebeck係数

AkaiKKR(machikaneyama)で計算された状態密度から Kelvin の公式を利用して、遷移金属のゼーベック係数を計算しました。
\begin{equation}
S = - \frac{1}{|e|}\frac{\mathrm{d}\mu}{\mathrm{d}T}
\end{equation}
ここで S はゼーベック係数、 e は電気素量、 μ は化学ポテンシャル、T は絶対温度です。結果はそこそこ良く実験値を再現しました。

Kelvin.png
Fig.1: Kelvinの公式で計算されたゼーベック係数(実線)と実験から得られた文献値(丸シンボル)。パラジウム(赤)、プラチナ(青)、タングステン(緑)、モリブデン(黒)。



ゼーベック係数


ゼーベック係数(熱電能)は、以下の式で表されます。

\begin{equation}
S = \frac{1}{eT}\frac{K_1}{K_0}
\end{equation}
ここでKn
\begin{equation}
K_n = \int_{-\infty}^{\infty}\sigma(\epsilon)(\epsilon - \mu)^{n} \left( - \frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}\epsilon}\right) \mathrm{d}\epsilon
\end{equation}

この式の中の σ(ε) はエネルギーに依存する電気伝導度とでも呼ぶべきもので、これを具体的に計算するには、通常のバンド計算から得られる電子の群速度に加えて、電子がどのように散乱されるかを表す散乱時間も必要になります。これは不可能ではありませんが、結構大変です。

これに対して熱電材料の物質科学―熱力学・物性物理学・ナノ科学 (物質・材料テキストシリーズ)では、とても簡単な近似式として Kelvin の公式を示しています。
\begin{equation}
S = - \frac{1}{e}\frac{\mathrm{d}\mu}{\mathrm{d}T}
\end{equation}
Scilabで金属の化学ポテンシャルに書いたとおり、金属の状態密度さえ分かっていれば化学ポテンシャルは計算できるので、バンド計算的には、とても簡単な手法です。(というか、これで精度よくゼーベック係数が計算できるのなら、群速度とか散乱時間とか一体なんだったのという感じ)

計算手順


まずAkaiKKRで状態密度を計算しました。2500 K 程度なら化学ポテンシャルの大きさもたいしたこと無いはずなので ewidth を小さくして計算すべきですが、雑な計算ということで価電子を全て含むエネルギーとしました。

c------------------------------------------------------------
go data/Pt
c------------------------------------------------------------
c brvtyp a c/a b/a alpha beta gamma
fcc 7.41 , , , , , ,
c------------------------------------------------------------
c edelt ewidth reltyp sdftyp magtyp record
0.001 0.9 sra mjw nmag 2nd
c------------------------------------------------------------
c outtyp bzqlty maxitr pmix
update 4 200 0.023
c------------------------------------------------------------
c ntyp
1
c------------------------------------------------------------
c type ncmp rmt field mxl anclr conc
Pt 1 1 0.0 2
78 100
c------------------------------------------------------------
c natm
1
c------------------------------------------------------------
c atmicx atmtyp
0 0 0 Pt
c------------------------------------------------------------

c------------------------------------------------------------
dos data/Pt
c------------------------------------------------------------
c brvtyp a c/a b/a alpha beta gamma
fcc 7.41 , , , , , ,
c------------------------------------------------------------
c edelt ewidth reltyp sdftyp magtyp record
0.001 1.2 sra mjw nmag 2nd
c------------------------------------------------------------
c outtyp bzqlty maxitr pmix
update 20 200 0.023
c------------------------------------------------------------
c ntyp
1
c------------------------------------------------------------
c type ncmp rmt field mxl anclr conc
Pt 1 1 0.0 2
78 100
c------------------------------------------------------------
c natm
1
c------------------------------------------------------------
c atmicx atmtyp
0 0 0 Pt
c------------------------------------------------------------


Pt-DOS.png
Fig.2: プラチナの状態密度


次に計算された状態密度から、電子の数密度neを計算します。
\begin{equation}
n_e = \int_{-\infty}^{\infty}D(\epsilon)f(\epsilon, T)\mathrm{d}\epsilon
\end{equation}
ここでフェルミ分布関数は以下のようになります。
\begin{equation}
f(\epsilon, T) = \frac{1}{\exp \left(\frac{\epsilon - \mu(T)}{k_B T} \right) + 1}
\end{equation}

電子の数密度neは温度に関わらず一定なので、絶対零度 T = 0 (K) のときの電子数密度 ne0 をまず計算します。フェルミ分布関数はこのとき ε < εF で f(ε, 0) = 1, ε > εF で f(ε, 0) = 0 なので
\begin{equation}
n_{e0} = \int_{-\infty}^{0} D(\epsilon) \mathrm{d}\epsilon
\end{equation}
です。

あとは以下の条件を満たすように非線型方程式ソルバで、化学ポテンシャルμを求めます。
\begin{equation}
\int_{-\infty}^{\infty}D(\epsilon)f(\epsilon, T)\mathrm{d}\epsilon - n_{e0} = 0
\end{equation}

化学ポテンシャルが計算できたら、これを数値微分します。
\begin{equation}
\frac{\mathrm{d}\mu}{\mathrm{d}T} \sim \frac{\mu(T+\Delta T) - \mu(T - \Delta T)}{2\Delta T}
\end{equation}

clear;

// *** 物理定数 ***
// アボガドロ数 (/mol)
na = 6.0221413E23;
// 1 (Ry) = 2.179872E-18 (J)
eRy = 2.179872E-18; //(J)
// リュードベリ原子単位系でのボルツマン定数
// Boltzmann constant kB = 1.3806488E-23 (J/K)
kB = 1.3806488E-23 / eRy; // (Ry/K)
// 電気素量
chage = 1.60217662E-19;

// *** 状態密度の読み出し ***
X = fscanfMat("Kelvin-Pt-calc.txt");
Edat = X(:,1);
Ddat = 2 * X(:,2);

// *** 計算用 ***
// エネルギー
E = linspace(min(Edat), max(Edat), 10000);
// 温度
tstart = 10; tstep = 10; tend = 2500;
T = [tstart:tstep:tend];
// 状態密度
D = interp1(Edat, Ddat, E, "linear");

// *** フェルミ分布関数 ***
function fermi = fermi(mu, energy, temp)
fermi = 1 ./ (exp((energy - mu) ./ (kB * temp)) + 1)
endfunction

// *** フェルミ分布関数 ***
n = intsplin(E, (D .* fermi(0, E, 0)));
function y = f1(x, temp)
y = intsplin(E, D .* fermi(x, E, temp)) - n
endfunction

// *** 化学ポテンシャル ***
Snum = ones(T);
for i = 1:length(T) do
temp = 1.01 * T(i);
mu1 = fsolve(0, f1);
temp = 0.99 * T(i);
mu2 = fsolve(0, f1);
// 数値計算による電子比熱
Snum(i) = - eRy * (mu1 - mu2) / (0.02 * T(i)) / chage;
end

// 数値計算による電子比熱
plot(T, 1E6 * Snum, "-b");
Y = fscanfMat("Kelvin-Pt-lit.txt");
plot(Y(:,1), Y(:,2), ".b");

// *** グラフの装飾 ***
xlabel("Temperature (K)");
ylabel("Seebeck coefficient (uV/K)");
xgrid(color("gray"));


Sommerfeld展開


Scilabで金属の化学ポテンシャルでは Sommerfeld 展開から得られた化学ポテンシャルが以下のように書かれるとしています。
\begin{equation}
\mu = \epsilon_F - \frac{\pi^2}{6}k_B^2 \frac{D'(\epsilon_F)}{D(\epsilon_F)}T^2
\end{equation}
したがって、その温度微分は以下のようになります。
\begin{equation}
\frac{\mathrm{d}\mu}{\mathrm{d}T} = - \frac{\pi^2}{3}k_B^2 \frac{D'(\epsilon_F)}{D(\epsilon_F)}T
\end{equation}
状態密度が鋭く変化している(D'(εF)が大きい)ほど大きなゼーベック係数を持つことが分かります。

関連エントリ




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付録


このエントリで使用したファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。(参考:ねがてぃぶろぐの付録)


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AkaiKKRで磁鉄鉱

AkaiKKR(machikaneyama)でスピネル型の結晶構造を持つ磁鉄鉱(マグネタイト)Fe3O4の計算を行いました。この計算はYanase and Siratori (1984, J. Phys. Soc. Jpn)で報告されている通り、基底状態ではハーフメタリックな強磁性体になります。(ハーフメタルに関してはAkaiKKRでハーフメタルを参照。)

fccMagnetitie-dos.png
Fig.1: 磁鉄鉱の状態密度。基底状態ではハーフメタルになる。


入力ファイル


磁鉄鉱の結晶構造は以下のように図示できます。

2017y09m18d_154337081.png
Fig.2: 磁鉄鉱の結晶構造


一見すると複雑な結晶構造ですが、fcc格子を持つと考えると計算セルの中の原子の数は14個まで減ります。鉄のAサイトの位置は ±(1/8, 1/8, 1/8) で、Bサイトの位置は (0, 0, 1/2), (1/4, 0, 3/4), (0, 1/4, 3/4), (1/4, 3/4, 0) です。酸素のサイトは ±(-u, u±1/4, -u), ±(-u, -u, u±1/4) で磁鉄鉱の場合 u=0.0048 です。結局、入力ファイルは以下のようになります。

c------------------------------------------------------------
go data/fccMagnetite
c------------------------------------------------------------
c brvtyp a c/a b/a alpha beta gamma
fcc 15.87 , , , , , ,
c------------------------------------------------------------
c edelt ewidth reltyp sdftyp magtyp record
0.001 0.9 sra mjw mag 2nd
c 0.001 1.2 sra mjw mag 2nd
c------------------------------------------------------------
c outtyp bzqlty maxitr pmix
update 4 200 0.035
c------------------------------------------------------------
c ntyp
3
c------------------------------------------------------------
c type ncmp rmt field mxl anclr conc
Fe1 1 1 0.0 2
26 100
Fe2 1 1 0.0 2
26 100
O 1 1 0.0 2
8 100
c------------------------------------------------------------
c natm
14
c------------------------------------------------------------
c atmicx atmtyp
1/8 1/8 1/8 Fe1
-1/8 -1/8 -1/8 Fe1
0 0 1/2 Fe2
1/4 0 3/4 Fe2
0 1/4 3/4 Fe2
1/4 3/4 0 Fe2
0.2548 0.2548 0.2548 O
-0.2548 -0.2548 -0.2548 O
0.2548 -0.0048 -0.0048 O
-0.2548 0.0048 0.0048 O
-0.0048 0.2548 -0.0048 O
0.0048 -0.2548 0.0048 O
-0.0048 -0.0048 0.2548 O
0.0048 0.0048 -0.2548 O
c------------------------------------------------------------


バンド構造


以下にブロッホスペクトル関数(バンド構造)を示します。バンド構造から見てもハーフメタルになっていることが分かります。

Magnetite-up.png
Magnetite-dn.png
Fig.3-4: バンド構造


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tag: AkaiKKR machikaneyama KKR 強磁性 ハーフメタル 状態密度 分散関係 

ecaljのgetsyml.py

ecaljには、バンド分散を描画するときの対称性のよいパスを自動的に生成してくれる getsyml.py というpythonスクリプトが ~/ecalj/GetSyml/ にあります。そのディレクトリの README に、以下のようなインストール方法が書いてあるのですが、どういう訳か私の環境では上手く行きませんでした。どうやら私のubuntuのpython環境に何かかの問題があるようでした。

===========================
Requirement and Install:

1.seekpath
>git clone https://github.com/giovannipizzi/seekpath/
>python setup.py install

2.matplotlib for 3D plot
> python -m pip install --update pip #pip update
> pip install matplotlib

3.spglib for crystal structure symmetry
>git clone https://github.com/atztogo/spglib.git
>python setup.py install --user
--user install it locally.


そこでAnaconda で Python 環境をインストールするを参考にして、わたしのubuntuにPython 2.7をインストールしたところ getsyml.py が使えるようになりました。


Anaconda の Python 2.7 のセットアップ


まずAnaconda の Python 2.7 をインストールします(3.xではありません)。Anacondaのダウンロードページから、インストールスクリプトをダウンロードし、実行します。

cd ~
wget https://repo.continuum.io/archive/Anaconda2-5.0.1-Linux-x86_64.sh
bash Anaconda2-5.0.1-Linux-x86_64.sh


すると端末上に、対話型のインストーラーが表示されるので、言われるがままに進めます。最後にAnacondaのpythonをPATHに加えるか聞かれるので yes と答えます。
この段階だと、単純に .bashrc に追記しただけなので source コマンドで .bashrc を再読み込みさせた後 python のバージョンを確認します。

source ~/.bashrc
python --version


以下のように Ananaconda でインストールされたものが表示されていれば成功です。

Python 2.7.14 :: Anaconda, Inc.


seekpath のセットアップ


Python 2.7 のセットアップが完了したら、次に seekpath のセットアップをします。
以下のコマンドを順番に端末に入力します。

cd ~
git clone https://github.com/giovannipizzi/seekpath/
cd seekpath/
python setup.py install


matplotlib のセットアップ


私の環境では特に何もしなくても大丈夫でした。Anacondaではデフォルトでmatplotlibが入ってる?

spglib のセットアップ


以下のコマンドを順番に端末に入力します。

cd ~
git clone https://github.com/atztogo/spglib.git
cd spglib/python/
python setup.py install --user


getsyml.pyの場所をパスに追加


私は ~/ecalj/GetSyml/ をパスに追加しました。
~/.bashrc に以下を追記します。

export PATH="$HOME/ecalj/GetSyml:$PATH"


テスト計算


CIFからecalj入力の作成CIFからecalj入力の作成 その2のセットアップが完了しているという前提で、シリコンのCIFファイルからバンド計算まで一気にやってみます。適当なディレクトリ、例えば ~/ecalj/project/Si-GetSyml/ で以下の順に実行します。

cp ~/cif2cell-1.2.10/cifs/Si.cif si.cif
cif2ctrl.sh si
getsyml.py si
lmfa si
mpirun -np 2 lmf-MPIK si
job_band si -np 2


getsyml.py si を実行すると以下のようなグラフィカルなウインドウが立ち上がります。

Screenshot from 2017-11-15 003A553A41

Fig.1: getsyml.py で得られるブリルアンゾーンの図


最後に job_band si -np 2を実行するとバンド分散の図が得られます。

Screenshot from 2017-11-15 003A583A51

Fig.2: シリコンのバンド構造


ecaljでシリコンのバンド構造(LDA計算)で得られたものと同じバンド分散結果が得られていることが分かります。

関連エントリ




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