計算物性科学2023
計算物性科学(大学院授業) 2023
- 質問先(石井) ishii@cphys.s.kanazawa-u.ac.jp
- このページは昨年の計算物性科学2022をコピーして編集しなおしています。
- 講義中に古い情報をアップデートして削除して新しい例等に変更するので、昨年の情報を参考にした方は計算物性科学2022をご覧ください。
最終更新時間:2023年09月28日 15時17分30秒
- 計算物性科学(大学院授業) 2023
スケジュール
- 9/25(月)2-5限[実習:4, 5限]
- 9/26(火)2-5限[実習:4, 5限]
- 9/27(水)2-5限[実習:4, 5限]
- 9/28(木)2-4限[実習]
- 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」(9/25-28)
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。
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
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
- 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
https://www.openmx-square.org/vps_pao2019/
- 結晶構造データベース
http://www.crystallography.net/cod/
レポート問題(講義)
Webclassを見てください。
レポート問題(実習)
締め切り :10/27(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
- モデル計算 1次元系 水素原子
- 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
H.dat(32)
Hydrogen atom LSDA with spin polarization
H_sp.dat(22)
Fe atom
Fe.dat(36)
Fe2 molecule
水素分子
H2.dat(20)
- 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
1
として改行する。次に
Do you want Dos(1) or PDos(2)?
と聞かれるので
1
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
- 部分状態密度の描画
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
1
として改行する。次に
Do you want Dos(1) or PDos(2)?
と聞かれるので
2
として改行する。
Number of atoms=2 Which atoms for PDOS : (1,....,2), ex 1 2
と表示されるので1番目の炭素原子のPDOSを描画するには
1
として改行する。
make cdia.PDOS.Tetrahedron.atom1.s1 ...
とs1, p1, p2, p3, d1, d2, d3, d4, d5と何もつかない atom1のファイルが出力される。
ダイヤモンドで重要なのはs軌道, p軌道なので、s1, p1, p2, p3のファイルをプロットする。
gnuplotを立ち上げ、
plot 'cdia.PDOS.Tetrahedron.atom1.s1' w l, 'cdia.PDOS.Tetrahedron.atom1.p1' w l, 'cdia.PDOS.Tetrahedron.atom1.p2' w l, 'cdia.PDOS.Tetrahedron.atom1.p3' w l
の様にする。文字が重ならない様に
set yra [0:0.2]
などとする。
- 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。
- キャリアドープしたフェルミ面
xcrysden --bxsf cdia.FermiSurf0.bxsf
状態密度の番号と軌道の対応
- p1 z
- p2 x
- p3 y
- d1 3z2-r2
- d2 x2-y2
- d3 xy
- d4 xz
- d5 yz
Diamond EvsLC
Cdia.dat(32)
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(29)
Metal(FCC)
- Cafcc_Band_FS.dat(54)
- Cafcc_Band_FS.dat#(37) (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
Si (diamond structure)
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(12)
実習(発展)
レポート
- 自分の興味ある系の計算をおこない、再現できる様に、結晶構造の情報等をまとめ、電子状態や全エネルギーなど、議論し、A4数枚以内にまとめて提出すること。
例)
- LaFeAsO
- GaAs
- グラフェン
- ZnSe
- フラーレン
- TaSe3
- C60 isomer
http://www.nanotube.msu.edu/fullerene/fullerene-isomers.html
C20-C720までの座標がまとめてある。xyzファイルをダウンロードできる
- カーボンナノチューブ
- カーボンナノチューブの座標を生成してくれるページ
http://turin.nss.udel.edu/research/tubegenonline.html
- H2, H2O
スピン分極のある系:LaFeOAs (反強磁性)
- 構造: P4/nmm http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.79.174505
- 電子状態計算 http://journals.jps.jp/doi/abs/10.1143/JPSJ.77.053709
- Orthorhombic
構造データ, 磁気構造AFM-S
http://webbdcrista1.ehu.es/magndata/index.php?index=1.125
- 擬ポテンシャル
La_CA13.vps(12)
La8.0.pao(20)
LaFeAsO.dat(41)
WO3.dat(18)
WO3
- ディレクトリ構造例
~/openmx/LaFeAsO
の下に,
./DFT_DATA/VPS
./DFT_DATA/PAO
のディレクトリを作成し, vpsファイル, paoファイルを置く。
LaFeAsO.datの中で
DATA.PATH ./DFT_DATA
で指定する。