多原子イオンを１つの点に置換した結晶構造の作成ログ（説明用）

最終目標設定

既存の結晶構造から，多原子イオンを１つの点に置換した新しい結晶構造を作成する．

準備

以下，２つのファイルを用意する．

• POSCAR: POSCARファイル形式の結晶構造を記したテキストファイル
• POSCAR.nnlist: POSCARファイルから，原子ごとに隣接原子をリストアップしたテキストファイル

作成したプログラム

• mk_clusterd_poscar.py
  入力：POSCAR, POSCAR.nnlist
  出力：POSCAR

今回行ったことの流れ

次の流れに沿って，距離が近い原子団を１つの原子に置き換え，新たな結晶構造を作成した．

0．POSCARとPOSCAR.nnlistをPandasのデータフレームとして読み込む．
1．結晶構造の各原子ごとに2Å以内の原子をピックアップする．
※ これは，準備の段階でPOSCAR.nnlistとして作成済み
2．ピックアップされた数が最大の原子をリストアップする．
3．2.でリストアップされた原子と、ともにピックアップされた原子のxyz座標の相加平均をとる．
4．リストアップされた原子の元素種と3.で得た座標を新たな１点とする．
5．2~4で選択されていない原子をリストアップする．
6．4.と5.を組み合わせて，新しい構造を作る．

今回行ったことの詳細説明

例として，COD (Crystallography Open Database) から得たBaCO3 (1000033.cif) を用いる．
※https://www.crystallography.net/cod/1000033.cif

POSCARをDataFrameとして読み込んだもの：

	central atom	x	y	z	Species
0	1	0.250000000000000	0.757000000000000	0.919000000000000	C
1	2	0.250000000000000	0.743000000000000	0.419000000000000	C
2	3	0.750000000000000	0.243000000000000	0.081000000000000	C
3	4	0.750000000000000	0.257000000000000	0.581000000000000	C
4	5	0.250000000000000	0.901100000000000	0.912200000000000	O
5	6	0.250000000000000	0.598900000000000	0.412200000000000	O
6	7	0.750000000000000	0.098900000000000	0.087800000000000	O
7	8	0.750000000000000	0.401100000000000	0.587800000000000	O
8	9	0.459500000000000	0.683900000000000	0.921000000000000	O
9	10	0.040500000000000	0.816100000000000	0.421000000000000	O
10	11	0.540500000000000	0.316100000000000	0.079000000000000	O
11	12	0.040500000000000	0.683900000000000	0.921000000000000	O
12	13	0.459500000000000	0.816100000000000	0.421000000000000	O
13	14	0.959500000000000	0.183900000000000	0.579000000000000	O
14	15	0.959500000000000	0.316100000000000	0.079000000000000	O
15	16	0.540500000000000	0.183900000000000	0.579000000000000	O
16	17	0.250000000000000	0.416310000000000	0.754900000000000	Ba
17	18	0.250000000000000	0.083690000000000	0.254900000000000	Ba
18	19	0.750000000000000	0.583690000000000	0.245100000000000	Ba
19	20	0.750000000000000	0.916310000000000	0.745100000000000	Ba

POSCAR.nnlistをDataFrameとして読み込んだもの：

	central atom	neighboring atom	distance	X	Y	Z	unitcell_x	unitcell_y	unitcell_z	central species	neighboring species
0	1	1	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	C	C
1	1	5	1.282630	0.000000	1.281885	-0.043713	0	0	0	C	O
2	1	9	1.289100	1.112990	-0.650283	0.012857	0	0	0	C	O
3	1	12	1.289100	-1.112990	-0.650283	0.012857	0	0	0	C	O
4	2	2	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	C	C
5	2	6	1.282630	0.000000	-1.281885	-0.043713	0	0	0	C	O
6	2	10	1.289100	-1.112990	0.650283	0.012857	0	0	0	C	O
7	2	13	1.289100	1.112990	0.650283	0.012857	0	0	0	C	O
8	3	3	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	C	C
9	3	7	1.282630	0.000000	-1.281885	0.043713	0	0	0	C	O
10	3	11	1.289100	-1.112990	0.650283	-0.012857	0	0	0	C	O
11	3	15	1.289100	1.112990	0.650283	-0.012857	0	0	0	C	O
12	4	4	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	C	C
13	4	8	1.282630	0.000000	1.281885	0.043713	0	0	0	C	O
14	4	14	1.289100	1.112990	-0.650283	-0.012857	0	0	0	C	O
15	4	16	1.289100	-1.112990	-0.650283	-0.012857	0	0	0	C	O
16	5	1	1.282630	0.000000	-1.281885	0.043713	0	0	0	O	C
17	5	5	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	O	O
18	6	2	1.282630	0.000000	1.281885	0.043713	0	0	0	O	C
19	6	6	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	O	O
20	7	3	1.282630	0.000000	1.281885	-0.043713	0	0	0	O	C
21	7	7	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	O	O
22	8	4	1.282630	0.000000	-1.281885	-0.043713	0	0	0	O	C
23	8	8	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	O	O
24	9	1	1.289100	-1.112990	0.650283	-0.012857	0	0	0	O	C
25	9	9	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	O	O
26	10	2	1.289100	1.112990	-0.650283	-0.012857	0	0	0	O	C
27	10	10	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	O	O
28	11	3	1.289100	1.112990	-0.650283	0.012857	0	0	0	O	C
29	11	11	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	O	O
30	12	1	1.289100	1.112990	0.650283	-0.012857	0	0	0	O	C
31	12	12	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	O	O
32	13	2	1.289100	-1.112990	-0.650283	-0.012857	0	0	0	O	C
33	13	13	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	O	O
34	14	4	1.289100	-1.112990	0.650283	0.012857	0	0	0	O	C
35	14	14	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	O	O
36	15	3	1.289100	-1.112990	-0.650283	0.012857	0	0	0	O	C
37	15	15	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	O	O
38	16	4	1.289100	1.112990	0.650283	0.012857	0	0	0	O	C
39	16	16	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	O	O
40	17	17	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	Ba	Ba
41	18	18	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	Ba	Ba
42	19	19	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	Ba	Ba
43	20	20	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0	0	0	Ba	Ba

クラスタ後の絶対中心座標のみをフィルターで抽出したもの：

補足：クラスタの中心原子と，クラスタに選ばれなかった原子

	central atom	x	y	z	Species
0	1	0.250000	0.757000	0.919000	C
1	2	0.250000	0.743000	0.419000	C
2	3	0.750000	0.243000	0.081000	C
3	4	0.750000	0.257000	0.581000	C
16	17	0.250000	0.416310	0.754900	Ba
17	18	0.250000	0.083690	0.254900	Ba
18	19	0.750000	0.583690	0.245100	Ba
19	20	0.750000	0.916310	0.745100	Ba

相対中心座標をDataFrame化したもの：

補足：df_nnlistの原子団の相対中心座標

	central atom	X	Y	Z
0	1	0.000000	-0.004670	-0.004500
1	2	0.000000	0.004670	-0.004500
2	3	0.000000	0.004670	0.004500
3	4	0.000000	-0.004670	0.004500
16	17	0.000000	0.000000	0.000000
17	18	0.000000	0.000000	0.000000
18	19	0.000000	0.000000	0.000000
19	20	0.000000	0.000000	0.000000

絶対座標 + 相対座標をDataFrame化したもの：

補足：最近傍の原子団を１つの点に置換した結晶構造

	X	Y	Z	Species
0	0.250000	0.752330	0.914500	C
1	0.250000	0.747670	0.414500	C
2	0.750000	0.247670	0.085500	C
3	0.750000	0.252330	0.585500	C
16	0.250000	0.416310	0.754900	Ba
17	0.250000	0.083690	0.254900	Ba
18	0.750000	0.583690	0.245100	Ba
19	0.750000	0.916310	0.745100	Ba