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計算物性科学2022

計算物性科学(大学院授業) 2022

質問先(石井) ishii@cphys.s.kanazawa-u.ac.jp

最終更新時間：2022年09月28日 15時40分52秒

計算物性科学(大学院授業) 2022

スケジュール

9/27(火）2-5限[実習：4, 5限]
9/28(水）2-5限[実習：4, 5限 (-17:00まで)]　　
9/29(木）2-5限[実習：4, 5限]　　
9/30(金）2-4限[実習：2, 3, 4限, 5限(-17:30まで)]

金沢大学時間割
- 2限：10:30-12:00
- 3限: 13:00-14:30
- 4限: 14:45-16:15
- 5限: 16:30-18:00

事前アナウンス

―――講義準備（ソフトのインストール）―――
遠隔講義「計算物性科学」(9/27-30)
の一部はノートパソコンを用いた実習形式でおこないます。
実習ではMateriAppsLive!
http://cmsi.github.io/MateriAppsLive/
という、計算物質科学アプリケーション
がプリインストールされたLinux OSを用いておこないます。

講義日までに下記の準備をしておいて下さい。

準備：
下記のサイトに記載されている"VirutalBox で MateriApps LIVE! を使う”
https://github.com/cmsi/MateriAppsLive/wiki/Using-MateriApps-LIVE!-on-VirtualBox
に従って、パソコンのVirtualBox上にインストールしてください。

現在(2022/9/24のovaは以下からダウンロード。時間掛かります。MateriAppsLive-3.4-amd64.ovaをダウンロードしてください。

https://sourceforge.net/projects/materiappslive/files/Release-3.4/

https://www.slideshare.net/cms_initiative/materiapps-live-154816291
も参考になるかと思います。また、動作確認を
https://www.slideshare.net/cms_initiative/materiapps-openmx
のスライドを参考におこなってください。（事前にできなくても講義中にもやります。）

補足：実習ではOpenMXという、
バンド計算プログラムを用いておこないます。
下記に日本語版のマニュアルがあるので参考にしてください。
http://www.openmx-square.org/openmx_man3.9jp/
--------------

MateriApps Live

関連リンク
MateriApps LIVE! OVA版 / はじめの一歩 https://github.com/cmsi/MateriAppsLive/wiki/MateriAppsLive-ova
Windows, Mac上で走らせるには下記のVirtualBoxを導入する

→http://www.oracle.com/technetwork/jp/server-storage/virtualbox/overview/index.html

VirtualBox版のMateriApps LIVE!のダウンロード→https://sourceforge.net/projects/materiappslive/files/Release-1.12/

日本語キーボードを使える様にする：LXTerminalから"setxkbmap -layout jp"と打ちこんで改行。
openmxの最初からある例題は /usr/share/openmx/work にある。

OpenMXのマニュアル

日本語

http://www.openmx-square.org/openmx_man3.9jp/

英語

http://www.openmx-square.org/openmx_man3.9/index.html

data0.f(21)

その他

OpenMX viewer

http://www.openmx-square.org/viewer/index.html

VESTA(結晶構造描画ソフト, cif, xyz等)

http://jp-minerals.org/vesta/jp/

XCrysDen

http://www.xcrysden.org

Fermi面のデータベース(フロリダ大学, Tight-bindig近似)

http://www.phys.ufl.edu/fermisurface/

OpenMXの擬ポテンシャル, 擬原子基底データベース

http://www.jaist.ac.jp/~t-ozaki/vps_pao2013/

結晶構造データベース

http://www.crystallography.net/cod/

レポート問題(実習)

締め切り：10/28(金) (提出先, アカンサスポータル, Webclass)

自分の興味ある系に関して、実習で学んだ計算方法を駆使して計算をおこない、考察を含めてレポートにまとめて提出せよ。具体的には、計算した構造の絵を含めて、計算で得られた電子状態（電子密度、バンド構造、状態密度、フェルミ面等）、全エネルギーから計算される結合エネルギー、最適な結合長、最適な格子定数等に関するグラフを含めて、考察をおこない、A4用紙, 数枚にまとめて提出せよ。

実習(基礎)

最終的に自分が興味ある系を計算してみる
水素分子を計算してみる。
- 出力結果, インプットの説明
基本情報
- バンド構造
- 状態密度(TDOS, PDOS)
- 全エネルギー（磁性、構造）
- NEB

物性
- 金属, 絶縁体, 半導体, 磁性体, 強誘電体, 超伝導体, トポロジカル絶縁体,
- スピン軌道相互作用, 磁性, ノンコリニア磁性
- 強相関電子系 (LDA+U), モット絶縁体
- トポロジカル絶縁体, Weyl半金属

1次元系
- モデル計算　1次元系水素原子
  - ノンコリニア磁性(スパイラル), キャリア依存性

二次元系(層状物質)
- グラフェン, シリセン, ゲルマネン, スタネン
- 埼玉大学上野啓司先生のページ
- FeSe monolayer,
- AxWO3

三次元系
- 磁性体(Fe, Cr)
- トポロジカル絶縁体Bi2Te3, Bi2Se3

Day1

Hydrogen atom LSDA with spin polarization

H_sp.dat(43)

水素分子

H2.dat(59)

Binding energy

D=2*Utot(H)-Utot(H2)

Day2

ダイアモンド(炭素)

SCF計算

MateriAppsLiveのターミナルで

cd 
cp -R /usr/share/openmx/work  .

とする。
計算結果を整理するため、計算する物質名のディレクトリを作成する。

mkdir Cdia
cd Cdia
cp ../work/Cdia.dat .
openmx Cdia.dat

で計算がはじまる。

状態密度の描画

DosMain cdia.Dos.val cdia.Dos.vec

と打つと、

Which method do you use?, Tetrahedron(1), Gaussian Broadening(2)

と聞かれるので

として改行する。次に

Do you want Dos(1) or PDos(2)?

と聞かれるので

として改行する。

ls

とすると、

cdia.DOS.Tetrahedron

が新しくできている。これをgnuplotでプロットする。
2列目が全状態密度, 3列目が積分状態密度（そのエネルギーまでの電子数）。
gnuplotで状態密度, 積分状態密度をプロットする。

gnuplot
plot 'cdia.DOS.Tetrahedron' u 1:2 w l, 'cdia.DOS.Tetrahedron' u 1:3 w l axes x1y2
set y2tics 3
replot

バンド図の描画

bandgnu13 cdia.Band

とすると、

cdia.GNUBAND

というファイルが作成される。
これをgnuplotでloadする。

gnuplot
load 'cdia.GNUBAND'
set yra [-25:15]
rep
set term jpeg 
set output 'Band.jpg'
rep

バンド図で用いるギリシャ文字のガンマは, gnuplotの設定ファイル中で、"g"を

"{/Symbol G}"

と置き換えることで, ポストスクリプトではギリシャ文字のガンマが表示される。

バンドギャップはダイヤモンドでは5.47eVであるが、計算結果は約4.1eVであり、過小評価している。
第一原理計算で半導体系のバンドギャップは多くが過小評価する。他方、金属間化合物では過大評価する
場合もある。

H2S

https://www.nature.com/articles/srep06968
https://link.springer.com/article/10.1007/s10948-018-4900-8
https://www.jps.or.jp/books/gakkaishi/2016/02/71-02topics.pdf

Day3

Fe bcc spin polarization, Fermi surface

Febcc.dat(32)

Metal(FCC)

Cafcc_Band_FS.dat(56)
Cafcc_Band_FS.dat#(68) (Fermi面描画用にDosの計算, bxsfファイルを出力)
XCrysDenのFermi面描画説明ページ

http://www.xcrysden.org/doc/fermi.html

Change input of Cdia.dat or Si8.dat to compute Si diamond structure.
1. Change lattice constant a=5.43 (a/2 = 2.715)
2. Change second Si coordinate to 0.25 0.25 0.25 and set Ang to Frac.
3. Change pseudopotential Si Si7.0-s2p2d1 Si_PBE13.
4. Change lattice constant to a=5.43 at Band.KPath.UnitCell
Sidia.dat(48)