ASE와 GPAW로 DFT 계산하기

ASE와 GPAW를 사용하여 DFT 계산을 수행합니다. 간단한 예로 수소 분자의 원자화 에너지를 찾습니다.

ASE는 원자 시뮬레이션을위한 파이썬 모듈입니다. 많은 기능이 구현되었습니다. Calculator 클래스을 인터페이스로 다양한 코드를 호출 할 수 있습니다.

GPAW는 PAW 방법과 ASE를 기반으로 한 DFT 계산 코드입니다. C 언어와 Python으로 작성되었습니다. 널리 사용되는 있습니다.

다음 예제는 JupyterLab을 사용하여 수행되었습니다.

설치

Anaconda로 만든 Python 환경에 pip로 ASE와 GPAW를 설치하십시오.

$ pip install ase --user
$ pip install gpaw --user

GPAW PAW 데이터 세트도 다운로드하십시오.

$ gpaw install-data $HOME/gpaw-data

설치는 이상으로 끝납니다.
이 단계에서 내 환경은 다음과 같습니다.

$ python --version
Python 3.7.6
$ pip list installed | grep -e ase -e gpaw
ase                                3.19.1
gpaw                               20.1.0

GPAW의 계산 조건

다음 조건으로 GPAW 클래스를 인스턴스화합니다.

컷오프 에너지: 300eV

일반 함수: PBE

from gpaw import GPAW, PW

gpaw = GPAW(mode=PW(300), xc='PBE')

수소 분자의 모델 만들기

ase.build 모듈은 소분자 사전 설정을 포함합니다.molecule 함수에 분자식을 전달하기 만하면 3 차원 분자 모델 인 Atoms 객체를 만들 수 있습니다.
이번에는 고립계의 계산을 하고 싶기 때문에, 작성한 Atoms 오브젝트의 center 메소드를 호출해, 모델에 3.0A의 진공층을 추가하고 있습니다.

from ase.build import molecule

atoms_h2 = molecule('H2')
atoms_h2.center(vacuum=3.)

view 함수로 시각화 할 수 있으므로 분자의 구조를 확인해 봅시다.

from ase.visualize import view

view(atoms_h2)

계산 수행

Atoms GPAW의 Calculator를 객체에 연결하고 get_potential_energy 함수를 호출하면 GPAW 계산이 수행됩니다.

atoms_h2.set_calculator(gpaw)
e_h2 = atoms_h2.get_potential_energy() # takes several seconds

수소 원자의 계산

수소 원자에 대해서도 마찬가지로 계산을 실시합니다.

atoms_h = molecule('H')
atoms_h.center(vacuum=3.)
atoms_h.set_calculator(GPAW(mode=PW(300), xc='PBE', hund=True))
e_h = atoms_h.get_potential_energy()

결과 표시

마지막으로 결과를 정리해 봅시다.
H2의 원자화 에너지 $\Delta E $는 다음 식으로 얻을 수 있습니다.

$\Delta E = 2 E_{\rm H} - E_{\rm H_2}$

동시에 분자 구조도 노트북에 표시해 보겠습니다.
matplotlib의 래퍼 인 ase.visualize.plot 모듈을 사용하십시오.

import matplotlib.pyplot as plt
from ase.visualize.plot import plot_atoms

delta_e = 2 * e_h - e_h2
print(f'Atomization Energy: {delta_e: 5.2f} eV')

fig, ax = plt.subplots(1, 2, figsize=(8,6))

title = f'Calculation Result for {atoms_h2.get_chemical_formula()}\n' + \
        f'Total Energy : {atoms_h2.get_potential_energy(): 5.2f} eV'
ax[0].set_title(title)
ax[0].axis('off')
plot_atoms(atoms_h2, ax=ax[0], rotation='90x')

title = f'Calculation Result for {atoms_h.get_chemical_formula()}\n' + \
        f'Total Energy : {atoms_h.get_potential_energy(): 5.2f} eV'
ax[1].set_title(title)
ax[1].axis('off')
plot_atoms(atoms_h, ax=ax[1], rotation='90x')

plt.show()

참고

Atomic Simulation Environment htps : // 우우키. 파이하고 k. d. dk/아세/

GPAW htps : // 우우키. 파이하고 k. d. dk/g파w/