Atomic Simulation Environmentの使い方(1): エネルギー計算と構造最適化

Atomic Simulation Environment (ASE)とは

• 第一原理計算/量子化学計算を行うpythonのライブラリ
  • https://wiki.fysik.dtu.dk/ase/
• 第一原理計算の主要部分は"calculator"として条件を設定し、実際の計算のインプットを編集することなく計算を実行できる
• さまざまな計算パッケージをcalculatorに用いることができる

環境設定

• ASEのインストール: pip install ase
• ASEに組み込まれているポテンシャル(EMT)を用いる場合はこれ以外の設定は不要

VASPを用いる場合

• 第一原理計算としてメジャーなソフトウェアであるVASPを用いる場合は設定が必要
• VASPがインストールされていることが前提(実行ファイルは~/vasp.X.X.X/bin/vasp_stdとする)
• ASEから参照するVASP実行用のPythonスクリプト(run_vasp.pyとする)を用意する

import os
exitcode = os.system('~/vasp.X.X.X/bin/vasp_std')
# exitcode = os.system('mpirun -np 2 ~/vasp.X.X.X/bin/vasp_std') # MPI並列の場合はこちらを使う

• ~/.bashrcに上記のVASP_SCRIPTの場所と擬ポテンシャルの場所(VASP_PP_PATH)を設定する

$ export VASP_SCRIPT=$HOME/somewhere/run_vasp.py
$ export VASP_PP_PATH=$HOME/vasp/potentials/

• run_vasp.pyや擬ポテンシャルの場所は適宜設定すること

エネルギー計算

• ASEを用いた計算の最も基本的な使い方としてエネルギー計算を行う
• Pt結晶のself-consistent field (SCF)計算を行う

EMTを用いる場合

from ase.build import bulk
from ase.calculators.emt import EMT

solid = bulk(name="Pt", crystalstructure="fcc", a=3.9)
solid.calc = EMT()
energy = solid.get_potential_energy()
print(f"energy = {energy:5.3} eV")

VASPを用いる場合

from ase.build import bulk
from ase.calculators.vasp import Vasp

solid = bulk(name="Pt", crystalstructure="fcc", a=3.9)
solid.calc = Vasp(xc="pbe", pp="potpaw_PBE.64")
energy = solid.get_potential_energy()
print(f"energy = {energy:5.3} eV")

• Vaspのxcは汎函数, ppは擬ポテンシャルの種類を指定する
• RuntimeError: Looking for PP for potpaw_PBE/Pt/POTCARが出力される場合はVASP_PP_PATHもしくはppの指定がうまくいっていない
• 上記だと$VASP_PP_PATH/potpaw_PBE.64以下が参照される

構造最適化

• Ptのfcc(111)面を構築して構造最適化計算を行う
• 原子層は4層とし、上2層のみを最適化(下2層は固定)

EMT

from ase.calculators.emt import EMT
from ase.build import fcc111
from ase.optimize import BFGS
from ase.constraints import FixAtoms

surf = fcc111(symbol="Pt", size=[1, 1, 4], a=3.9, vacuum=12.0)
surf.pbc = True
c = FixAtoms(indices=[atom.index for atom in surf if atom.tag >= 3])
surf.constraints = c

surf.calc = EMT()
opt = BFGS(surf, trajectory="pt-relax.traj")
opt.run(fmax=0.05, steps=100)

• fcc111はlayer numberに応じてAtomのtagを自動的に決める
  • 第一層: tag=1, 第二層: tag=2, 吸着子: tag=0, などとなる。このtagを用いて原子層を選択する。tagを確認するにはprint(atoms.get_tags())

VASP

from ase.calculators.vasp import Vasp
from ase.build import fcc111
from ase.constraints import FixAtoms

surf = fcc111(symbol="Pt", size=[1, 1, 4], a=3.9, vacuum=12.0)
surf.pbc = True
c = FixAtoms(indices=[atom.index for atom in surf if atom.tag >= 3])
surf.constraints = c

surf.calc = Vasp(xc="pbe", pp="potpaw_PBE.64", ibrion=2, nsw=10,potim=0.1, directory="pt_relax")
surf.get_potential_energy()

• EMTのようにASEのoptimizerを使うのでも良いが、VASPの最適化を用いた方が収束が早い(と思う)
• Vaspのibrion, nsw, potimはVASPのINCARで指定するものと同じ
• directoryは必須ではないが、設定した場合そのディレクトリで(ない場合は作成される)VASPの計算が行われるので設定しておくとよい。以下のどちらかで設定できる
  • Atoms.calc.directory = "some_directory"
  • Vasp(direcoty="some_directory")

おわりに

• ここではASEの基本的な使い方としてエネルギー計算と構造最適化の例を示した
• CalculatorにはEMTとVASPを用いた。EMTはASEに含まれておりそのまま利用でき計算も早いが、計算精度が相当悪いのと、利用できる元素の種類が非常に少ない(H, C, N, O, Al, Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Ptのみ)が欠点であり、コードの確認だけに用いた方がよい
• 他の機能は別ページで説明する予定