Geometry optimization

SIESTA 프로그램은 켤레기울기법 (conjugate-gradients, CG)을 통해 단위격자 내부에 원자의 위치에 따라 발생하는 힘 또는 응력 (strees)을 최소로 하는 최적화된 구조를 찾는다. NanoCore는 Siesta 클라스에 set_option 함수를 통해 CGsteps 옵션을 변경해주고, 시뮬레이션을 실행하는 run 함수에서 입력 변수를 Optimization으로 바꿔 CG을 통한 geometry optimization을 수행할 수 있다.

이전 장의 이어서 다음 코드을 진행한다.

# Geometry optimizations by CG method
import os

# Set options for CG 
nCGstep = 50
sim.set_option('CGsteps', nCGstep)

set_optioion 함수를 통해 CGsteps가 50으로 설정되었다. 이제 sim.run(mode='Optimization') 명령어를 통해 CG가 활성화된 최적화 계산을 수행할 수 있다. 단, 최적화된 구조를 xyz 형식의 출력파일로 얻기 위해서는 SIESTA 프로그램에서 WriteCoorXmol .true.라는 코드를 명시해야한다. NanoCore는 현재 이 부분에 대한 옵션이 비활성화 되어 있으니 임의로 이 부분을 수정한다.

/NanoCore/siesta2.py :

 347         ## OUT OPTIONS ##
 348         #file.write("\n#(9) Output options\n\n")
 349         #file.write("WriteCoorInitial      F      # SystemLabel.out\n")
 350         #file.write("WriteKpoints          F      # SystemLabel.out\n")
 351         #file.write("WriteEigenvalues      F      # SystemLabel.out [otherwise ~.EIG]\n")
 352         #file.write("WriteKbands           T      # SystemLabel.out, band structure\n")
 353         #file.write("WriteBands            T      # SystemLabel.bands, band structure\n")
 354         #file.write("WriteMDXmol           F      # SystemLabel.ANI\n")
 355         file.write("WriteCoorXmol        .true.  \n")

이제 계산을 수행하여 Geometry optimization을 진행한다.

os.system('mkdir GEO')
os.chdir('GEO')

print('Geometry optimization')
sim.run(mode='Optimization')
os.chdir('..')

계산된 출력파일들이 /GEO 디텍토리에 안에 생성되었다.

최적화된 구조을 이용하기 위한 작업

Geometry optimization 과정을 통해 얻은 원자들의 위치에 대한 정보는 siesta.xyz 출력파일에 담겨 있다. 그러나 SIESTA의 CG 계산을 통해 얻은 출력파일은 격자 (cell)에 대한 정보를 담고 있지 않아 온전하지 않다.

    2

C      -0.015112   -0.008725   -0.000000
C       1.241133    0.716568    0.000000

두번째 줄이 격자에 대한 정보가 들어가야할 위치이다. 이 위치에 격자벡터의 성분 길이와 각 성분 간의 각도을 입력하면 된다. NanoCore는 get_cell()과 convert_xyz2abc 함수를 통해 이에 대한 정보를 얻을 수 있다. 다음 과정을 통해 온전한 xyz형식의 출력파일을 얻는다.

# Get number of lines of cell-undefined xyz_file
def file_len(filename):
    with open(filename) as f:
        for i, l in enumerate(f):
            pass
    return i+1
tlines = file_len('siesta.xyz')


# Get optimized atomic informations from cell-undefined xyz_file
file_info1 = []
file_info2 = []

os.chdir('GEO')
f = open('siesta.xyz','r')
for i in range(tlines):
    line = f.readline()
    words = line.split()  
    file_info1.append(line)
    file_info2.append(words)
f.close()
os.chdir('..')

# Get cell informations for cell-undefined xyz_file
cell = atoms.get_cell()
a,b,c,alpha,beta,gamma = convert_xyz2abc(cell[0], cell[1], cell[2])


# Write full-information xyz_file
xyz_file = open('STRUCT.xyz', 'w')
for i in range(len(file_info1)):
    if i == 0:
        xyz_file.write(file_info1[i])
    elif i == 1:
        xyz_file.write("%4s %10.5f %10.5f %10.5f %10.5f %10.5f %10.5f\n" %("CELL",a,b,c,alpha,beta,gamma))
    else:
        xyz_file.write(file_info1[i])
xyz_file.close()

STRUCT.xyz 파일이 생성되었다. 파일을 열어보면,

    2
CELL    2.50948    2.50948   15.00000   90.00000   90.00000   60.00000
C      -0.015112   -0.008725   -0.000000
C       1.241133    0.716568    0.000000

두번째 줄에 격자정보에 대한 정보가 추가된 것을 확인할 수 있다. Geometry optimization을 마친 STRUCT.xyz 파일은 NanoCore의 io.read_xyz 함수를 통해 다음 계산에서 이용할 수 있다.

from NanoCore import *
optimized_atom = io.read_xyz('STRUCT.xyz')