Atomic Simulation Environmentの使い方: 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/
• 計算の自動化ができる
• いろいろ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を用いる場合は、VASPがインストールされている状態でVASP_scriptとVASP_PP_PATHを以下のように設定する

  $ export VASP_SCRIPT=$HOME/vasp/run_vasp.py
  $ export VASP_PP_PATH=$HOME/vasp/mypps
  

• VASP_script (run_vasp.pyとする)は以下のようにしておく

  import os
  exitcode = os.system('vasp')
  # exitcode = os.system('mpirun -np 16 vasp') # 並列のとき
  

基本的使い方

エネルギー計算

• VASPでMgのbulk固体のself-consistent field (SCF)計算を行う

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

mg = bulk(name="Mg", crystalstructure="hcp", a=3.1)
calc = Vasp(prec="normal", xc="PBE", encut=300.0)
mg.set_calculator(calc)
mg.get_potential_energy()

• EMTを用いる場合は、from ase.calculators.emt import EMTを行い、calc = EMT()とする

構造最適化

• Pd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)

from ase import Atoms,Atom
from ase.calculators.vasp import Vasp
from ase.build import fcc111
from ase.optimize import QuasiNewton
from ase.constraints import FixAtoms

surf = fcc111(symbol="Pd", size=[1,1,4], a=4.0, vacuum=12.0)
c = FixAtoms(indices=[atom.index for atom in surf if atom.tag <= 3 )
surf.set_constraint(c)

calc = Vasp(prec="normal", xc="PBE",
            encut=400.0, ibrion=-1, nsw=0, kpts=[6,6,1])

surf.set_calculator(calc)
surf.get_potential_energy()

dyn = QuasiNewton(surf, trajectory="pd-relax.traj")
dyn.run(fmax=0.05, steps=100) # loops up to number specified by "steps"

• 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())