CIFからecalj入力の作成 その2

CIFからecalj入力の作成では、結晶構造を表す標準的なファイル形式であるCIFから半自動的にecaljの結晶構造ファイル ctrls を作成する方法を書きました。しかしながら cif2cellのオプションが長すぎて明らかに暗記できないので、CIFからctrlsファイルを作成するシェルスクリプト(cif2ctrls_sh.txt)を書きました。

#!/bin/csh -f

set PREFIX=$1
cif2cell ${PREFIX}.cif -p vasp --vasp-cartesian --vasp-format=5
vasp2ctrl POSCAR
cp ctrls.POSCAR.vasp2ctrl ctrls.${PREFIX}


更に制御ファイル ctrl まで一気に作ってしまうなら、以下のようなシェルスクリプト(cif2ctrl_sh.txt)を使います。ただし ctrlgenM1.py にオプションを渡すことは出来ないので強磁性体の計算をしたい場合などは、上のスクリプトを利用してください。

#!/bin/csh -f

set PREFIX=$1
cif2cell ${PREFIX}.cif -p vasp --vasp-cartesian --vasp-format=5
vasp2ctrl POSCAR
cp ctrls.POSCAR.vasp2ctrl ctrls.${PREFIX}

ctrlgenM1.py ${PREFIX}
cp ctrlgenM1.ctrl.${PREFIX} ctrl.${PREFIX}



使い方


前提条件としてCIFからecalj入力の作成に従って cif2cell のインストールが成功していて、パスも通っている必要があります。

cif2ctrls_sh.txtcif2ctrl_sh.txtをパスの通った場所(例えば ~/bin/ など)に置いて実行権限を与えておきます。

wget -O ~/bin/cif2ctrls.sh https://blog-imgs-116.fc2.com/g/o/m/gomisai/cif2ctrls_sh.txt
wget -O ~/bin/cif2ctrl.sh https://blog-imgs-116.fc2.com/g/o/m/gomisai/cif2ctrl_sh.txt
chmod +x ~/bin/cif2ctrl.sh ~/bin/cif2ctrls.sh


シリコンのCIFファイルから制御ファイルを作って見ます。cif2cell の cifs/ ディレクトリにはいくつかのCIFが保存されています。
まず、計算を実行するフォルダに移動します。どこでも構いませんが、以下の例では ~/ecalj/project/Si-cif2ctrls/ とします。
つぎにcif2cellのディレクトリから CIF をコピーします。このときにファイル名を ecalj で使う拡張子と同じになるようにしておきます(参考: ecaljのファイル命名規則)。

cd ~/ecalj/project/Si-cif2ctrls/
cp ~/cif2cell-1.2.10/cifs/Si.cif si.cif


結晶構造ファイル ctrls を作成するには以下のようにします。
cif2ctrls.sh si


制御ファイル ctrl まで一気に作ってしまう場合は、以下のようにします。
cif2ctrl.sh si


作成された結晶構造ファイルや制御ファイルを用いて、通常通りにLDA計算やQSGW計算を行うことが出来ます。(参考: ecaljの実行手順(LDA計算), ecaljの実行手順(GW近似))

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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tag: ecalj CIF 

ecaljでシリコンの電荷密度

ecaljではポスト処理として電荷密度の計算が可能です。プロットにはecaljで銅のフェルミ面で用いたxcrysdenの他にVESTAも利用できます。

2017y09m25d_222734424.png

Fig.1: シリコンの電荷密度



ecaljでシリコンのバンド構造(LDA計算)で作成したシリコンの入力ファイルを利用して、セルフコンシステント計算を行ってから、ポスト処理として以下のコマンドを実行します。

mpirun -np 2 lmf-MPIK si --density


上記のコマンドを実行すると smrho.xsf というファイルが作成されます。ecaljで銅のフェルミ面と同様にxcrysdenがインストールされていれば、以下のコマンドでxcrysdenが起動します。

xcrysden --xsf smrho.xsf


[Tool] → [Data Grid] → [OK] として Isovalue にとりあえず 0.08 を入力して [Submit] すると、シリコン原子間に異方性の強い共有結合が見えるようになります。

ecaljで銅のフェルミ面で書いたとおりxcrysdenはwindowsと相性が良くなさそうです。幸いにしてxsf形式の電荷密度はVESTAでも読み込むことが出来ます。VESTAで読み込んだ場合は、最初から等電荷密度面が表示されています。[Object] → [Properties] → [Isosurfaces...] から設定を変更することが出来ます。

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tag: ecalj 電荷密度 xcrysden VESTA 

ecaljで銅のフェルミ面

ecaljでは、ポスト処理としてフェルミ面の描画が可能です。より具体的に言うと、xcrysdenのbxsf形式でフェルミ面のデータファイルの出力が可能です。どちらかというとecaljでフェルミ面のデータを出力するよりもxcrysdenを使うほうが面倒なのですが、今回はそのあたりについて書きます。

Screenshot from 2017-09-22 193A253A51
Fig.1: 銅のフェルミ面



Ubuntuへのxcrysdenのインストール


Ubuntuへxcrysdenをインストールするのは簡単です。apt-getからインストールできます。

sudo apt-get install xcrysden


銅のフェルミ面の計算


ecaljでフェルミ面の計算をするのは極めて簡単で、通常のLDA計算を行った後、ポスト処理として job_fermisurfaceを実行します。今回はテスト計算ということで面心立方構造の銅のフェルミ面を描いて見ます。コントロールファイル ctrl.cu~/ecalj/MATERIAL/CuMLWF からコピーしてきました。LDA計算を含めて全部書くと以下のようになります。

cp ~/ecalj/MATERIAL/CuMLWF/ctrl.cu .
lmfa cu
mpirun -np 2 lmf-MPIK cu
job_fermisurface cu -np 2 10 10 10


最後の行がフェルミ面のデータを出力するポスト処理です。最後の 10 10 10 は計算するk点メッシュの分割数です。今回はテスト計算なので小さめの値にしていますが、実際にはもっと大きな数にしたほうがよいでしょう。
fermiup.bxsf というファイルが出来ているはずです。これがフェルミ面のデータが保存されたファイルです。

xcrysdenを用いたフェルミ面の描画


bxsf形式のファイルをxcrysdenで表示する前に注意点があります。それはUbuntuサーバー上で実行したxcrysdenをsshのX転送を使ってWindows上で表示しようとするとxcrysdenが落ちる点です。とりあえず私はクライアントマシンとしてWindows上のVirtualBoxにインストールしたUbuntuの上でxcrysdenを使うことにしました。

以下のコマンドでxcrysdenにフェルミ面のデータを読み込ませることが出来ます。

xcrysden --bxsf fermiup.bxsf


コマンドを打ち込むとxcrysdenのロゴとともに"Specify the Fermi Energy:"というダイアログが表示されます。値はあとから変更できるので、そのままOKをクリックします。

Screenshot from 2017-09-22 193A243A06

Screenshot from 2017-09-22 193A243A46
Fig.2-3: xcrysdenのロゴとフェルミエネルギー指定ダイアログ。値は気にせずOKをクリックする。


次にBARGraphとSelect bandsのウインドウが表示されます。BARGraphウインドウでは、1番から7番のバンドがどのエネルギー幅を持っているのかを示しています。水平な赤の破線で示されているのがフェルミエネルギー(E=0)です。フェルミエネルギーを横切っているバンドは6番だけです。従ってSelect bandsのBand number:6にだけチェックを入れてSelectedをクリックします。(フェルミエネルギーを横切るバンドが複数ある場合は、複数チェックを入れます。)

Screenshot from 2017-09-22 193A253A21

Screenshot from 2017-09-22 193A253A07
Fig.4-5: 1~7番の各バンドのエネルギー範囲と表示するバンドを選択するダイアログ。今回はフェルミエネルギーを横切っているのが6番だけなので6番だけを選択する。


するとフェルミ面が描画されます。Degree of Interpolationの値を大きくしてsubmitをクリックするとフェルミ面の表面が多少滑らかになります。

右下の薄ピンクの背景の部分に-0.026と書かれています。これが現在プロットされているフェルミエネルギーの値です。本来ゼロですが、若干ずれています。この値を変更することによって、フェルミエネルギー以外のエネルギーに対する波数空間での等エネルギー面をプロットすることが出来ます。

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tag: ecalj フェルミ面 xcrysden 

CIFからecalj入力の作成

ecaljの入力ファイル作成は手動でやってもかなり簡単ですが、更に簡単な方法としてCIFファイルから半自動的に生成する方法もあります。具体的にはCIFから cif2cell を使ってvasp形式のファイルを作成し、そのvasp形式のファイルからecaljの入力ファイルを作成するという方法です。

stSrTiO3.png

Fig.1: SrTiO3の結晶構造。簡単すぎることも複雑すぎることもなく、例題として扱うのに丁度いい結晶。


今回は正方晶(tetragonal)のSrTiO3を例に入力ファイルを作成します。cif2cellがインストールしてあれば、以下の手順で作成できます。

cif2cell srtio3.cif -p vasp --vasp-cartesian --vasp-format=5
vasp2ctrl POSCAR
mv ctrls.POSCAR.vasp2ctrl ctrls.srtio3



ecaljの入力ファイル


ecaljには、結晶構造ファイル ctrls.* からコントロールファイル ctrl.* を半自動的に生成するスクリプト ctrlgenM1.py が付属しています。従って、コントロールファイル ctrl.* がecaljの実質的な入力ファイルでありながら、ユーザーは結晶構造ファイル ctrls.* さえ作ればよいので簡単です。(参考: ecaljの実行手順(LDA計算))

結晶構造ファイルの中身はシンプルなので、人間が手動で作成してもたいした手間ではありませんが、ケアレスミスの可能性もあるので、自動化できるに越したことはありません。そこで今回は、結晶構造を記述するファイル形式として有名なCIFから結晶構造ファイル ctrls.* を半自動的に生成する方法について書きます。
対象にした結晶は、正方晶(tetragonal)の SrTiO3 です。この結晶構造ファイルは Crystallography Open Databaseからダウンロードすることが出来ます。このCIFをVESTAで描画したのがFig.1です。

cif2cellのインストール


SourceForgeからcif2cellをダウンロードし、ホームディレクトリに置きます。私がダウンロードした時点での最新版は cif2cell-1.2.10.tar.gz でした。これを展開します。

tar xzvf cif2cell-1.2.10.tar.gz


展開されたディレクトリへ移動し、インストールを行います。

cd cif2cell-1.2.10/
sudo python setup.py install


更に .bashrc に以下を追記してパスを設定しておきます。

export PATH=$PATH:$HOME/cif2cell-1.2.10


追記したら .bashrc を再読み込みさせます。

source .bashrc


cifから結晶構造ファイル ctrls.* の作成


まずcif形式のファイルを用意します。今回はCrystallography Open Databaseからダウンロードします。

wget http://www.crystallography.net/cod/cif/9/00/28/9002806.cif


次に cif2cell を用いてcif形式からvasp形式のファイルを作成します。

cif2cell 9002806.cif -p vasp --vasp-cartesian --vasp-format=5


このとき私の環境では、以下のような警告が出ますが、無視して進めます。

***Warning : Site occupancies not found, assuming all occupancies = 1.


すると POSCAR というファイルが出来ています。このファイルからecaljの結晶構造ファイルを作ります。

vasp2ctrl POSCAR


結晶構造ファイル ctrls.POSCAR.vasp2ctrl が出来ているはずです。 vasp2ctrl という名前ですが、作成されるのはコントロールファイル ctrl.* では無く、結晶構造ファイル ctrls.* です。

ecaljで強磁性鉄のスピン分極計算ecaljで反強磁性NiOなどの場合は ctrls.POSCAR.vasp2ctrl を基にして磁性の設定のための編集が必要になりますが、今回は単純に名前だけ変更します。

mv ctrls.POSCAR.vasp2ctrl ctrls.srtio3


あとは通常通りにLDA計算を行うだけです。

ctrlgenM1.py srtio3
cp ctrlgenM1.ctrl.srtio3 ctrl.srtio3
lmfa srtio3
mpirun -np 2 lmf-MPIK srtio3


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tag: ecalj CIF 

ecaljでB-dopedダイヤモンド

ecaljと仮想結晶近似(VCA)を用いて、ダイヤモンドの炭素原子を5%ホウ素に置換したホウ素ドープダイヤモンドの電子構造を計算しました。結果は、AkaiKKRでB(N)-dopedダイヤモンドAkaiKKRでリジッドバンド模型もどきの結果と調和的で、純粋なダイヤモンドは絶縁体、ホウ素をドープしたダイヤモンドは金属的なバンド構造となりました。

bandplot-bdia-vca.png
Fig.1: ダイヤモンドとホウ素をドープしたダイヤモンドのバンド構造



仮想結晶近似(VCA)


不規則合金の電子構造の計算を行うためには、色々な近似が考えられます。
AkaiKKRでB(N)-dopedダイヤモンドでは、AkaiKKR(Machikaneyama)に実装されているコヒーレントポテンシャル近似(CPA)を用いました。AkaiKKRでリジッドバンド模型もどきでは、AkaiKKRを少しトリッキーに使い、リジッドバンド模型のような計算を行いました。他にもスーパーセルを使う方法も考えられます(参考: AkaiKKRでスーパーセル その1)。

今回は、更に別の方法として仮想結晶近似(VCA)を用いてホウ素をドープしたダイヤモンドの電子構造をecaljを用いて計算しました。

なお、これらの近似のエライ(つまり、近似として上等である)順番は、コヒーレントポテンシャル近似、仮想結晶近似、リジッドバンド模型です。スーパーセル法とコヒーレントポテンシャル近似は、どちらも一長一短なので、必ずしもどちらがエライというわけでもないはずです。

計算手法


計算手法は、基本的にはecaljで仮想結晶近似と同様です。通常通り、ダイヤモンドの結晶構造ファイルを作成します(参考: ecaljの実行手順(LDA計算), ecaljでシリコンのバンド構造(LDA計算))。
STRUC   ALAT=6.74
PLAT=0.0 1/2 1/2
1/2 0.0 1/2
1/2 1/2 0.0
SITE ATOM=C POS=0.0 0.0 0.0
ATOM=C POS=1/4 1/4 1/4

この結晶構造ファイルから ctrlgenM1.py を用いて制御ファイルを自動生成させます。

更にこの制御ファイルをテキストエディタで編集します。今回は、炭素(原子番号:6)の5%をホウ素(原子番号:5)に置換するので 6*0.95 + 5*0.05 = 5.95 とします。
SPEC
ATOM=C Z=5.95 R=1.42


計算結果


計算結果のバンド構造をFig.1に、状態密度をFig.2に示します。

tdos-bdia-vca.png
Fig.2: ダイヤモンドと炭素の5%をホウ素に置換したダイヤモンドの状態密度


純粋なダイヤモンドは半導体ですが、ホウ素をドープしたダイヤモンドはフェルミ準位が荷電しバンドの中にあるような、金属的なバンド構造になりました。仮想結晶近似(VCA)は、コヒーレントポテンシャル近似(CPA)とリジッドバンド模型の中間のエラさに位置するので、当然ながらこれら二つと似たような結果になります。

関連エントリ




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参考文献/使用機器




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tag: ecalj 仮想結晶近似 VCA 半導体 ダイヤモンド 

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