STATE-Senri †

Simulation Tool for Atom TEchnology

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STATEとは †

STATE (Simulation Tool for Atom TEchnology)は密度汎関数法に基づく、ノルム保存/ウルトラソフト擬ポテンシャル、平面波基底を用いた第一原理計算パッケージです。STATEを用いて以下のような計算が可能です。

  • 電子状態の最適化
    • Davidson法
    • DIIS (Direct Inversion in Iterative subspace)法
  • Projected density of state、バンド図（オプション）などの電子状態の解析
  • 構造最適化
    • Quenched Molecular dynamics法
    • GDIIS(Generalized Direct Inversion in Iterative Subspace)法
  • 反応経路探索
    • NEB(Nudged Elastic Band)法
    • CINEB(Climbing Image NEB)法
  • 分子動力学
    • NVE ensemble
    • NVT ensemble (velocity-scaling,Nose-Hoover)
    • Blue moon ensemble
  • 非局所ポテンシャルの実空間での取り扱い(King-Smith, et al.)
  • Neugebauer+Schefflerによる電場（双極子）補正

k点はMonkhorst-Packまたは通常のガンマ点を含む一様なメッシュ上で生成することが可能で、Brillouine zone積分にはスメアリング法（Fermi-Dirac、Hermite-Gaussian）あるいは（修正）四面体法を用いることができます。

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バージョン †

  • 5.6.1
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コンパイル方法 †

STATEはf90で書かれておりMPIを用いて並列化されています。最新バージョンではOpenMPを用いたハイブリッド並列化も行われています。 コンパイルにはfortran90コンパイラとMPI,lapack,FFTW3(or other FFT Lib.)が必要です。

以下のプラットフォーム上で動作が確認されています。

  • NEC SX-5、SX-7、Earth Simulator (SX-6)、SX-8、SX-9
  • Hitach SR8000、SR11000 (ISSP)
  • Intel Pentium4、Itanium2、XEON(5100,5500,5600)、COREi7
  • AMD Opteron

バージョンによりコンパイルの方法（Makefile）が異なるので注意が必要です。

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実行方法 †

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解析方法 †

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ユーティリティ †

  • chkinpf: 入力ファイルをチェックしてXSF形式のファイルを出力するプログラム（f90コンパイラが必要）
    使用例: chkinpf nfinp_1
  • state2*.pl, state2*.sh STATEの出力ファイルから構造やポテンシャルを取り出すperlとshで書かれたスクリプト群
    • state2xsf.pl, state2axsf: XCrySDen形式の構造データ(xsf)とアニメーション用データ(axsf）をSTATEの出力から取り出すスクリプトです。
      使用例: state2xsf.pl nfout_1 > nfout_1.xsf
    • state2xyz.pl, state2axyz: XMOL XYZ形式の構造データを取り出すスクリプトです。使用法は上と同じです。
    • ChargeUtil: STATEで出力された電荷密度をXSFなどのフォーマットに変換するためのfortraで書かれたプログラム群です。
    • CubeUtil: Gaussian cube形式のファイルを操作するプログラム群です。
    • state2pdos.pl: STATEで計算したPDOSを各原子ごとに取り出すperlスクリプト。花岡くん（草部グループ）作。
      オリジナルのソースはstate_pdos.plです。機能を強化予定です。

得られた構造データはXCrySDenやVMDで可視化することが可能です。
スクリプト群は
smith:~hamada/STATE/tools以下に置いてあります。
(web上にこれらのツールをアップデートする予定）

  • chg2xsf_2d_3d: chg2xsfに、少し機能を付け足したもの。STATEからのnfchgt_r.dataを実空間3次元可視化する(chg2xsf)のと、スラブ平行方向(x,y)の各点で等電荷密度面を計算し、2次元可視化する。STM像の解析に有用かもしれない。インプットとしてnfchgt_r.dataに加えて、stmset.data(真空準位のエネルギーと、等電荷密度面をプロットする値を含む)が必要。
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ファイルフォーマット †

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TODO †

  • Manual
    • 印刷可能版の作成
    • 英語版の作成
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参考文献 †

密度汎関数理論:

  • P. Hohenberg and W. Kohn, Phys. Rev. 136, B864 (1964).
  • W. Kohn and L. J. Sham, Phys. Rev. 140, A1133 (1965).

Ultrasoft pseudopotential法に関して:

  • D. Vanderbilt, Phys. Rev. B41, 7892 (1990).
  • A. Pasquarello, et al., Phys. Rev. Lett. 69, 1982 (1992).
  • K. Lassonone, et al., Phys. Rev. B47, 10142 (1993).

STATEにimplementされているiterative diagonalizationの方法に関しては

  • G. Kresse and J. Furthmuller, Phys. Rev. B54, 11169 (1996).
  • G. Kresse and J. Furthmuller, Comp. Mat. Sci. 6. 15 (1996).

と、ここで引用されている論文を読むと良いでしょう。

Kresse&Furthmuller論文で引用されていますが、Davidson法、DIIS法に関するoriginalの論文が以下です。

  • E.R. Davidson, J. Comp. Phys. 17. 87 (1975).
  • D. M. Wood and A. Zunger, J. Phys. A: Math. Gen. 18, 1343 (1985).

非局所ポテンシャルの実空間での実装に関して:

  • R. D. King-Smith, et al., Phys. Rev. B44, 13063 (1991).

k点サンプリングに関して:

  • H. J. Monkhorst and J. D. Pack, Phys. Rev. B13, 5188 (1976).

双極子補正

  • J. Neugebauer and M. Scheffler, Phys. Rev. B 46, 16067 (1992).
  • L. Bengtsson, Phys. Rev. B 59, 12301 (1999)

ESM法

  • M. Otani, O. Sugino, Phys. Rev. B 73, 115407 (2006)
  • I. Hamada, M. Otani, O. Sugino, Y. Morikawa, Phys. Rev. B 80, 165411 (2009)
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連絡先 †

不具合等ありましたら下記メールアドレスまでご連絡ください。（下記アドレスの＠は日本語文字なので注意）

  • state_admin＠cp.prec.eng.osaka-u.ac.jp
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