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。


関連エントリ




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参考文献/使用機器




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

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。

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tag: ecalj 分散関係 

ecaljのアップデート

ecaljは、現在も活発に開発が進められている第一原理計算パッケージです。ecaljのインストール(Ubuntu + gfortran)では ecalj を Ubuntu に gfortran を使ってインストールする方法を書きましたが、ちょくちょくアップデートをするほうがよいです。

アップデートするには、端末に以下のように入力します。

cd ~/ecalj/
git pull origin master:master
./CleanAll.gfortran
./InstallAll.gfortran



また、最新版へのアップデートとは逆に古いバージョンに戻すには以下のようにします。

cd ~/ecalj/
git checkout b4db4044
./CleanAll.gfortran
./InstallAll.gfortran


ここで b4db4044 がバージョン番号です。戻したい番号を指定します。

ちなみに、アップデートは上記のような方法ではなく、乱暴にバックアップをとってからの再インストールでも良いみたいです。

cd ~
cp ~/ecalj/ ~/ecalj-BK/
git clone https://github.com/tkotani/ecalj.git
cd ~/ecalj/
./InstallAll.gfortran


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tag: ecalj 

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))

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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 

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