STATE_new_tutorial/Pt111-WaterMonomer - 第一原理分子動力学プログラム STATE Senri Wiki

水単量体/Pt(111)界面 †

目次
- 水単量体/Pt(111)界面
  - 差電荷解析
はじめに
このチュートリアルではPt(111)(2x2)表面に水単分子（単量体、monomer）を例にして差電荷の計算方法とユーティリティプログラムの使い方を説明します。

差電荷解析 †

ここでは以下のような差電荷密度の計算を行います。
\( \Delta \rho = \rho_{\mathrm{mol/sub}}(\mathbf{r}) - \rho_{\mathrm{mol}}(\mathbf{r}) - \rho_{\mathrm{sub}}(\mathbf{r}) \)
ここで\( \Delta \rho = \rho_{\mathrm{mol/sub}}(\mathbf{r}) \)、\( \rho_{\mathrm{mol}}(\mathbf{r}) \)、\( \rho_{\mathrm{sub}}(\mathbf{r}) \)はそれぞれ吸着系の電荷密度、吸着分子の電荷密度、基板の電荷密度です。
以下のようなディレクトリがあるとして説明を進めます。

Mol/   Sub/   Total/

ここでMol/、Sub/、Total/はそれぞれ吸着分子、基板、吸着系の計算のためのディレクトリです。

↑

吸着系の計算 †

SCF計算以下のような入力ファイルを使ってSCF計算を実行します。

Total/nfinp_scf

WF_OPT      DAV
NTYP        3
NATM        15
GMAX        5.00
GMAXP       15.00
KPOINT_MESH 6  6  1
SCF        200
MIX_ALPHA   0.6
SMEARING    MP
WIDTH       0.0020
EDELTA      1.D-09
NEG         80
ESM_BC      BC1
&CELL
     10.552437340000      0.000000000000      0.000000000000
      5.276218670000      9.138678810000      0.000000000000
      0.000000000000      0.000000000000     38.772130530000
&END
&ATOMIC_SPECIES
 H    1.008    pot.H_lda3
 O   15.999    pot.O_pbe3
 Pt 195.080    pot.Pt_pbe1s
&END
&ATOMIC_COORDINATES CARTESIAN
      0.522405221141     -1.533023771546      5.598314593679    1    1    1
      0.522377859680      1.532121180968      5.597268491580    1    1    1
      0.516611014914     -0.000460986866      4.554081496820    1    1    2
     -0.000890586276     -0.004513673355      0.103193550047    1    1    3
      5.286933751549     -0.004335198461     -0.005669898171    1    1    3
      2.642999489828      4.569039415154      0.019484294346    1    1    3
     -2.629973821912      4.563445081725      0.011017848481    1    1    3
      0.007062901476      3.042267916724     -4.294200982477    1    1    3
      5.278103981371      3.048323956136     -4.288032481892    1    1    3
      2.655771533113      7.623050049818     -4.293271249646    1    1    3
     -2.634540830538      7.615269052499     -4.303693753076    1    1    3
      0.000000000000     -3.046226000000     -8.616029000000    1    0    3
      5.276219000000     -3.046226000000     -8.616029000000    1    0    3
      2.638109000000      1.523113000000     -8.616029000000    1    0    3
     -2.638109000000      1.523113000000     -8.616029000000    1    0    3
&END

電荷密度の出力 SCF計算が収束した後に以下の入力ファイルを用いて実空間における電荷密度を出力します。

Total/nfinp_chg

TASK        PRTCHG
WF_OPT      DAV
NTYP        3
NATM        15
GMAX        5.00
GMAXP       15.00
KPOINT_MESH 6  6  1
NSCF        200
MIX_ALPHA   0.6
SMEARING    MP
WIDTH       0.0020
EDELTA      1.D-09
NEG         80
ESM_BC      BC1
&CELL
     10.552437340000      0.000000000000      0.000000000000
      5.276218670000      9.138678810000      0.000000000000
      0.000000000000      0.000000000000     38.772130530000
&END
&ATOMIC_SPECIES
 H    1.008    pot.H_lda3
 O   15.999    pot.O_pbe3
 Pt 195.080    pot.Pt_pbe1s
&END
&ATOMIC_COORDINATES CARTESIAN
      0.522405221141     -1.533023771546      5.598314593679    1    1    1
      0.522377859680      1.532121180968      5.597268491580    1    1    1
      0.516611014914     -0.000460986866      4.554081496820    1    1    2
     -0.000890586276     -0.004513673355      0.103193550047    1    1    3
      5.286933751549     -0.004335198461     -0.005669898171    1    1    3
      2.642999489828      4.569039415154      0.019484294346    1    1    3
     -2.629973821912      4.563445081725      0.011017848481    1    1    3
      0.007062901476      3.042267916724     -4.294200982477    1    1    3
      5.278103981371      3.048323956136     -4.288032481892    1    1    3
      2.655771533113      7.623050049818     -4.293271249646    1    1    3
     -2.634540830538      7.615269052499     -4.303693753076    1    1    3
      0.000000000000     -3.046226000000     -8.616029000000    1    0    3
      5.276219000000     -3.046226000000     -8.616029000000    1    0    3
      2.638109000000      1.523113000000     -8.616029000000    1    0    3
     -2.638109000000      1.523113000000     -8.616029000000    1    0    3
&END

SCF計算と違うのは

TASK        PRTCHG

の行だけです。ここで行う差電荷解析のために出力ファイルのフォーマットは指定しません。電荷密度はnfchgt_r.data というファイルにASCII形式で出力されます。

↑

基板と分子の計算 †

同様の計算を基板と分子について行います。両者とも吸着系における構造を用いて計算を行い、構造緩和は行いません。以下が入力ファイルです。

基板

SCF計算 (Sub/nfinp_scf)

WF_OPT      DAV
NTYP        3
NATM        12
GMAX        5.00
GMAXP       15.00
KPOINT_MESH 6  6  1
NSCF        200
MIX_ALPHA   0.6
SMEARING    MP
WIDTH       0.0020
EDELTA      1.D-09
NEG         80
ESM_BC      BC1
&CELL
     10.552437340000      0.000000000000      0.000000000000
      5.276218670000      9.138678810000      0.000000000000
      0.000000000000      0.000000000000     38.772130530000
&END
&ATOMIC_SPECIES
 H    1.008    pot.H_lda3
 O   15.999    pot.O_pbe3
 Pt 195.080    pot.Pt_pbe1s
&END
&ATOMIC_COORDINATES CARTESIAN
     -0.000890586276     -0.004513673355      0.103193550047    1    1    3
      5.286933751549     -0.004335198461     -0.005669898171    1    1    3
      2.642999489828      4.569039415154      0.019484294346    1    1    3
     -2.629973821912      4.563445081725      0.011017848481    1    1    3
      0.007062901476      3.042267916724     -4.294200982477    1    1    3
      5.278103981371      3.048323956136     -4.288032481892    1    1    3
      2.655771533113      7.623050049818     -4.293271249646    1    1    3
     -2.634540830538      7.615269052499     -4.303693753076    1    1    3
      0.000000000000     -3.046226000000     -8.616029000000    1    0    3
      5.276219000000     -3.046226000000     -8.616029000000    1    0    3
      2.638109000000      1.523113000000     -8.616029000000    1    0    3
     -2.638109000000      1.523113000000     -8.616029000000    1    0    3
&END

電荷密度の出力 (Sub/nfinp_chg)

TASK        PRTCHG
WF_OPT      DAV
NTYP        3
NATM        12
GMAX        5.00
GMAXP       15.00
KPOINT_MESH 6  6  1
NSCF        200
MIX_ALPHA   0.6
SMEARING    MP
WIDTH       0.0020
EDELTA      1.D-09
NEG         80
ESM_BC      BC1
&CELL
     10.552437340000      0.000000000000      0.000000000000
      5.276218670000      9.138678810000      0.000000000000
      0.000000000000      0.000000000000     38.772130530000
&END
&ATOMIC_SPECIES
 H    1.008    pot.H_lda3
 O   15.999    pot.O_pbe3
 Pt 195.080    pot.Pt_pbe1s
&END
&ATOMIC_COORDINATES CARTESIAN
     -0.000890586276     -0.004513673355      0.103193550047    1    1    3
      5.286933751549     -0.004335198461     -0.005669898171    1    1    3
      2.642999489828      4.569039415154      0.019484294346    1    1    3
     -2.629973821912      4.563445081725      0.011017848481    1    1    3
      0.007062901476      3.042267916724     -4.294200982477    1    1    3
      5.278103981371      3.048323956136     -4.288032481892    1    1    3
      2.655771533113      7.623050049818     -4.293271249646    1    1    3
     -2.634540830538      7.615269052499     -4.303693753076    1    1    3
      0.000000000000     -3.046226000000     -8.616029000000    1    0    3
      5.276219000000     -3.046226000000     -8.616029000000    1    0    3
      2.638109000000      1.523113000000     -8.616029000000    1    0    3
     -2.638109000000      1.523113000000     -8.616029000000    1    0    3
&END

吸着子

SCF計算 (Mol/nfinp_scf)

WF_OPT      DAV
NTYP        3
NATM        3
GMAX        5.00
GMAXP       15.00
KPOINT_MESH 6  6  1
NSCF        200
MIX_ALPHA   0.6
SMEARING    MP
WIDTH       0.0020
EDELTA      1.D-09
NEG         16
ESM_BC      BC1
&CELL
     10.552437340000      0.000000000000      0.000000000000
      5.276218670000      9.138678810000      0.000000000000
      0.000000000000      0.000000000000     38.772130530000
&END
&ATOMIC_SPECIES
 H    1.008    pot.H_lda3
 O   15.999    pot.O_pbe3
 Pt 195.080    pot.Pt_pbe1s
&END
&ATOMIC_COORDINATES CARTESIAN
      0.522405221141     -1.533023771546      5.598314593679    1    1    1
      0.522377859680      1.532121180968      5.597268491580    1    1    1
      0.516611014914     -0.000460986866      4.554081496820    1    1    2
&END

電荷密度の出力 (Mol/nfchg_chg)

TASK        PRTCHG
WF_OPT      DAV
NTYP        3
NATM        3
GMAX        5.00
GMAXP       15.00
KPOINT_MESH 6  6  1
NSCF        200
MIX_ALPHA   0.6
SMEARING    MP
WIDTH       0.0020
EDELTA      1.D-09
NEG         16
ESM_BC      BC1
&CELL
     10.552437340000      0.000000000000      0.000000000000
      5.276218670000      9.138678810000      0.000000000000
      0.000000000000      0.000000000000     38.772130530000
&END
&ATOMIC_SPECIES
 H    1.008    pot.H_lda3
 O   15.999    pot.O_pbe3
 Pt 195.080    pot.Pt_pbe1s
&END
&ATOMIC_COORDINATES CARTESIAN
      0.522405221141     -1.533023771546      5.598314593679    1    1    1
      0.522377859680      1.532121180968      5.597268491580    1    1    1
      0.516611014914     -0.000460986866      4.554081496820    1    1    2
&END

↑

差電荷および誘起双極子の計算 †

差電荷の計算には

state/util/chargeutil/src/drho2

を使用します。コマンドサーチパスが設定されているとし、以下を実行します。

$ drho2

計算に必要なファイル名を聞かれますので、答えていきます。 Total/ディレクトリで作業しているとすると、今の例では入力データとして

nfinp_scf
nfchgt_r.data
../Sub/nfchgt_r.data
../Mol/nfchgt_r.data

を指定し、出力データとしては

drho.xsf

（3次元の差電荷）

drhoz.data

（差電荷の面（xy面）平均）を指定します。
差電荷のファイル（drhoz.data）には以下のデータが出力されます。

(1列目) z座標
(2列目) 差電荷
(3列目) 差電荷のz方向への積分
(4列目) z方向の誘起双極子モーメント差電荷の面平均はたとえばgnuplotを用いて可視化すると以下のようになります。
誘起双極子モーメントは以下のようになります。

第一原理分子動力学プログラム STATE Senri Wiki

Menu

水単量体/Pt(111)界面 †

差電荷解析 †

吸着系の計算 †

基板と分子の計算 †

差電荷および誘起双極子の計算 †