PWscfでZnOの構造緩和

PWscf(Quantum ESPRESSO)を用いてウルツ鉱構造のZnOの高圧力下での構造最適化を行いました。

003_201807261443018d6.png

Fig.1: ウルツ鉱構造ZnOの格子定数の圧力変化



入力ファイルのテンプレート


まずPWscfの入力作成補助で紹介したxlt2pw.pyを利用して、ZnOの入力ファイルの雛形を作ります。入力の元になるxtlファイルは、CIFからVESTAを通じて出力します。CIFはDFT計算用データベース MatNaviで紹介した無機材料データベース(AtomWork)などからダウンロードします。

xtl2pw.py ZnO.xtl vc-relax 1
cp ZnO.in ZnO.relax.in


擬ポテンシャルとカットオフエネルギー


PWscfの擬ポテンシャルを参考に入力ファイルを編集します。
擬ポテンシャルの種類には PAW ポテンシャルを選びました。

ATOMIC_SPECIES
Zn 65.38 Zn.pbe-dnl-kjpaw_psl.1.0.0.UPF
O 15.999 O.pbe-n-kjpaw_psl.0.1.UPF


カットオフエネルギーは、擬ポテンシャルファイルに書かれている推奨値を参考にします。波動関数のカットオフの推奨値は酸素の方が大きく、電荷密度の推奨値は亜鉛の方が大きいことに注意が必要です。それぞれ大きいほうの1.5倍ぐらいを選びました。

    ecutwfc = 75.0 ,
ecutrho = 420.0 ,


圧力


圧力下の構造最適化を行うこともできます。その場合は press に圧力を設定します。単位は kbar です(1 GPa = 10 kbar)。

原子位置の制約


xtl2pw.py の最後の入力パラメータは、原子位置の制約の有無に関連しています。
0 を入力すると全ての原子について位置の最適化を行います。
1 を入力すると結晶学的に動かなさそうな原子を固定して計算します。

下記は xtl2pw.py の最後のパラメータに 1 をしていた場合の入力ファイルです。原子の座標の後ろに更に3つの数字が続いていますが、これが原子を動かすか否かのフラグになっていて 0 なら固定、1 なら動かせることを意味しています。今回の例では、酸素原子のz方向だけ原子を最適化するようになっていることが分かります。

ATOMIC_POSITIONS crystal
Zn 0.333333 0.666667 0.000000 0 0 0
Zn 0.666667 0.333333 0.500000 0 0 0
O 0.333333 0.666667 0.389010 0 0 1
O 0.666667 0.333333 0.889010 0 0 1


入力ファイル


結局、入力ファイルは以下のようにしました。

&control
calculation='vc-relax' ,
restart_mode='from_scratch' ,
prefix='ZnO' ,
outdir = './ZnO/' ,
wfcdir = './ZnO/' ,
pseudo_dir = './' ,
disk_io='default' ,
forc_conv_thr= 0.001 ,
verbosity = 'default' ,
nstep = 100 ,
/
&system
ibrav= 4 ,
celldm(1) = 6.14709011 ,
celldm(3) = 1.60158627686 ,
nat = 4 ,
ntyp = 2 ,
ecutwfc = 75.0 ,
ecutrho = 420.0 ,
/
&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
Zn 65.38 Zn.pbe-dnl-kjpaw_psl.1.0.0.UPF
O 15.999 O.pbe-n-kjpaw_psl.0.1.UPF
ATOMIC_POSITIONS crystal
Zn 0.333333 0.666667 0.000000 0 0 0
Zn 0.666667 0.333333 0.500000 0 0 0
O 0.333333 0.666667 0.389010 0 0 1
O 0.666667 0.333333 0.889010 0 0 1
K_POINTS automatic
6 6 4 0 0 0


結果


圧力を変化させながら格子定数がどのように変化するかを調べた結果が Fig.1 です。40 GPaまでは正常に圧縮されていっていますが 50 GPa で異常が見られます。
pwout2xtl.pyをもちいて出力したxtlファイルをVESTAで描画してみると、酸素原子のz位置が大きく動いて、結晶全体がc軸方向につぶれたことが良く分かります。

001_20180726144258855.jpg
002_20180726144259aba.jpg

Fig.2-3: ZnOの結晶構造の変化


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AkaiKKRでウルツ鉱構造ZnO

AkaiKKR(machikaneyama)をもちいてAkaiKKRでルチル構造SnO2 その1その2ではルチル構造の計算をし、AkaiKKRで岩塩構造 BaO2では岩塩構造の計算をしました。今回はそれらに続いてウルツ鉱構造のZnOの計算を行います。

wZnO.png
Fig.1: ウルツ鉱構造のZnO



ウルツ鉱構造


Fig.1に示したのがウルツ鉱構造のZnOです。亜鉛原子を六方最密充填構造のように配置し、その四面体格子間位置のうち、半分のサイトを酸素が占めたような結晶構造をしています。この入力ファイルは、以下のようにしました。
四面体サイトのうち半分しか酸素が存在しないので、残りの格子間位置にも空孔をおくほうが精度が上がる可能性はありますが、今回はそのままにしてあります。

c------------------------------------------------------------
go data/ZnO
c------------------------------------------------------------
c brvtyp a c/a b/a alpha beta gamma
hcp 6.1415 , 1.602064 , , , , ,
c------------------------------------------------------------
c edelt ewidth reltyp sdftyp magtyp record
0.001 1.5 sra mjw nmag 2nd
c------------------------------------------------------------
c outtyp bzqlty maxitr pmix
update 8 200 0.035
c------------------------------------------------------------
c ntyp
2
c------------------------------------------------------------
c type ncmp rmt field mxl anclr conc
Zn 1 1 0.0 2
30 100
O 1 1 0.0 2
8 100
c------------------------------------------------------------
c natm
4
c------------------------------------------------------------
c atmicx atmtyp
1/3a 2/3b 0c Zn
2/3a 1/3b 1/2c Zn
1/3a 2/3b 0.3819c O
2/3a 1/3b 0.8819c O
c------------------------------------------------------------


結果


Fig.2-3がZnOのバンド構造と状態密度です。やはり、バンドギャップが小さく出ていて、半導体なのか金属なのか微妙です。

wZnO-DOS.png
ZnO-band.png

Fig.2-3: ウルツ鉱構造ZnOの状態密度とバンド構造


フェルミエネルギー付近を拡大した計算を行うと(ewidth=0.8Ry)、一応バンドギャップがあるらしいことは確認できます。ただし、フェルミエネルギーが価電子帯の中にめり込んでしまっています。前回同様、この点は気にし無い事にします。

ZnO-band2.png

Fig.4: フェルミ準位付近を拡大したバンド構造


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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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