特集 計算材料設計最前線 2019

CIF を出発点とする第一原理計算支援用ユーティリティー
A Utility to Assist First-Principles Calculations Starting from CIFs
Key-words：CIF, File converter, Shell script, First-principles calculations

泉富 士 夫・宮 崎晃平

PDF-4＋，COD，Materials Project，MatNavi 等）が多数派を占めている．遺憾ながら，材料設計支援統合システムを謳う某商用ソフトや DFT コードの入力ファ
イル作成用補助ツールは三次元可視化プログラム
VESTA3）が出力した CIF をことごとく門前払いする．
なんと由緒正しい定義

̲space̲group̲… ，たとえば

̲space̲group̲name̲H-M̲alt を拒絶するのである．
Open Babel は排除こそしないものの， ̲symmetry̲
equiv̲pos̲as̲xyzを出力する． そこで，CIF 中の̲space̲group̲…

を相当する

̲symmetry̲…に置換するマクロを作ったこともあった．また PDF-4＋

Fujio IZUMI＊1,＊2 and Kohei MIYAZAKI＊2（＊1Japan Fine Ceramics Center, ＊2Kyoto University）と Materials Project から得た CIF では，HermannMauguin の空間群記号にスペースが入っていない．
Bond̲Str4）は二重映進面 を含む空間群（直方晶系）の正式な Hermann‒Mauguin 名を誤記と見なす．

1. CIF とは何か

こういう無秩序をもたらした個々の原因は知る由も

Crystallographic Information File（CIF）は X 線・ないが，データベースの構築組織やアプリケーション中性子回折データの解析で得た結晶構造データを一定の製作者が CoreCIF に明記されているルールを理解のフォーマットに従いテキストファイルとして保存すし遵守すべきなのは言うまでもない．cifconv はこのるために，国際結晶学連合（International Union ofような嘆かわしい現状を十分把握し，十分な対策を講

Crystallography: IUCr）の主導により制定された．

じた上で開発した．

1）

CIF の主要定義を編纂した Core dictionary （coreCIF）
はネットからも入手できる．CIF は結晶データの共通

3. 自作ソフトにおける CIF 活用の歴史フォーマットとして確固たる地位を占めており，結晶筆者（泉）はこれまで CIF を活用するユーティリ

構造解析プログラムはたいてい CIF を保存する機能

ティーを次々に開発してきた．RIETAN-FP5）の入力をもつ．構造解析結果を含む論文を投稿する際，CIFファイル中に CIF の結晶データを導入する cif2ins，リーの提出を義務づけている学術誌も多い．

トベルト法で求めた結晶データから CIF を作成する

各種データベースで検索した化合物データの内，結lst2cif が代表例である．VESTA3）が CIF を入出力で晶構造データを CIF として保存すれば，種々の科学きるのは言うまでもない．さらに（a）CIF のコンテンツ，技術計算プログラムで直接入力し，処理・利用できる．

（b）結晶構造図，（c）Dysnomia6）により最大エントロ

また CIF を他フォーマットのファイルに変換するコピー法で決定した電子密度の等値曲面イメージ，（d）ンバーターも多い．Open Babel2） はとりわけ有名でgnuplot でプロットしたグラフを合併して LaTeX 文書ある．

化するユーティリティー cif2pdf（英文）と E2J（和文）2. CIF を巡る混乱と無秩序も作成した．（b）と（c）はもちろん VESTA で視覚化する．VESTA と Dysnomia を中核とする VENUS シ

プログラマーとしての観点からは，厳密な仕様に従っステムは結晶構造解析と電子状態計算とをつなぐ架けて記述されたテキストファイルである CIF は互換性橋として貢献することを願って開発した．これらの自が申し分なく，入出力ファイルとして扱いやすいよう作・外部プログラムを秀丸エディタ（Windows）まに見える．ところが実際に手に入る CIF は不完全な

たは Jedit Ω（macOS）から起動し，入出力ファイルものが多い．単純なミスに留まらないところがなんとを編集・閲覧できるようにしたのが RIETAN-FP・も不条理である．

VENUS 統合支援環境 7）〜9）である．

これまで幾度となく遭遇し，憤慨したのは，結晶構造を収録したデータベースや CIF をデータ源とする

4. CIF コンバーター cifconv

科学技術計算ソフトが CIF の仕様を遵守していない

最近は，CIF を種々のテキストファイル，すなわちことだった．たとえば

1． サイト・ポテンシャルとマーデルング・エネル

̲symmetry̲…という廃絶された定義に執着し続けているデータベース（ICSD，ギー（MADEL）© 日本セラミックス協会
セラミックス54（2019）No. 7473

2． 原子間距離，結合角，bond valence sum（Bond̲4）

出力される．すなわち，550 eV のカットオフ・エネル
ギーに対応する擬ポテンシャル・ファイルを記録した

Str ）
10）

や Quantum ESPRESSO 等の第一原

PAW̲potentials.txt から POTCAR のフォルダー名を

理 計 算 ソ フ ト 用 の 入 力 デ ー タ（cif2cell11），入力した後，POTCAR に連結出力する．擬ポテンシャ

3． VASP12）

C-Tools ）ルデータを収めたファイルを直接指定するには，CIF

4． 固溶・部分占有サイトを含む不定比化合物をモ13）の冒頭に#VASP pbe Ba̲sv O Ti̲svというようデル化した誘導構造の CIF（supercell ）に各元素の POTCAR が入っているフォルダーの名前

5． RIETAN-FP5）による多相試料のリートベルトを入力すればよい． いずれにせよ， 上記の機 能 は解析用の入力データVASP の正規ユーザーだけが享受できる．

を記録したファイルに変換するためのシェルスクリプト

cif2cell が CIF から作成する INCAR はごく短く，cifconv.command（以下，cifconv と略す）を鋭意開実用からは程遠い．そこで独自の文法に則って雛形ファ発してきた．ただし（）内はファイル出力に使う外イル INCAR.ins を記述するという仕組みを導入した．

部アプリケーションを示す．上記のような多目的変換

INCAR.ins を CIF と同じ階層に置き，cifconv をバッツールである cifconv は，多角的な視点から結晶構造チモードまたは単一処理モードで実行すると，INCARを理解・評価するのに有効な上，構造解析と電子状態が生成する．

計 算 に す こ ぶ る 役 立 つ．cifconv を 同 梱 し た

INCAR.ins → INCAR 変換は RIETAN-FP という

RIETAN-FP・VENUS システムは同システム配布ファ

伝家の宝刀を抜くことにより，あっさり実現した．

イルの Web ページ14）

で無償公開している．

RIETAN-FP が Tink と呼ばれる入力ファイル *.ins のcifconv は BusyBox に包含されている ash（Windows）プリプロセッサーを含んでいるためである．具体的にまたは bash（macOS）で書いた．macOS 版はわずかは，If・Select 構文の入力制御用変数の入力，If 構文，な変更で Linux へ移植できる．cifconv は千数百行にSelect 構 文 を INCAR.ins 中 に 記 述 す る こ と に よ り達しているが，十分な数の注釈を散りばめている上，VASP 用データの入力あるいはスキップを制御する

20 を超える関数からなるモジュール構造をもつため，（図 1）．

処理手続きの見通しが良く，アルゴリズムを理解しやIf・Select 構文中のブロックを入力・スキップする

すい．UNIX コマンドによる古典的テキスト処理を採か否かを制御するための変数は I，J，K，L，M，N

用した理由は，さほどメモリーを消費しない上，パイで始まり，大文字，数字， @プを頻用した並列処理と慣れ親しんだストリームエディ

変数名＝整数：注釈

ター sed の徹底利用が図れるためである．

変数名＝整数 ! 注釈からなる名前をもち，cifconv では， 同一フォルダーに cifconv と複数のという形式で入力する（図 1a）．前者では変数名と値CIF を置いて実行するバッチ処理，支援環境上で一つを前処理に使うのに対し，後者の場合，行全体が注釈の CIF に対し cifconv マクロを実行する単一処理のどと見なされる．図 1a の場合，計算モードは最適化とちらかを選択できる．cifconv は変則的な HermannMauguin 記号を修正するだけでなく，Hall 記号の行を挿入することにより CIF を確実に読み込むよう努めている．
以下，cifconv の第一原理計算関連機能に焦点を絞って解説するが，その全貌については英文マニュアルをお読みいただきたい．

5. VASP 用入力ファイルの作成
POSCAR と KPOINTS の作成は cif2cell11）が受け持
つ．デフォールトのオプションは --setup-all --vaspformat＝5 --vasp-cartesian-lattice-vectors
CIF の先頭に注釈行として#VASP --...

だが，という形の注釈行を置けば cif2cell 用オプションを追加できる．
POTCAR は基本的には cifconv 中のコードによって474

図1INCAR.ins を INCAR に変換するのに使う計算モード関連部分の例．

セラミックス54（2019）No. 7

というフォルダー中に supercell による計算用の同名ファなる．
MODE の値に応じて場合分けする If 構文を図 1b

イル hoge.cif を生成する． その先頭付近にたとえばに例示した． 関係式には＝， ＞， ＞＝， ＜， ＜＝，#supercell 1x1x2＜＞（≠）を含めることができる．二つの関係式は If

位胞の長さを指定する注釈行を挿入した後，支援環境という ， ， 方向に沿った単MODE ＞ 0 and MODE ＜ 4 thenというように論理から supercell マクロを実行すると，サブフォルダー演算子 and または or で並べられる．字下げ行の先頭1x1x2 中に誘導構造の CIF が supercell コマンドの引15）数−n lN で指定した数 N だけ出力される．さらに N相当する Select 構文が図 1c である．

個の構造のマーデルング・エネルギーを昇順に記録しに VASP のタグが置かれている．上記の If 構文に

If ブロックで else，Select 構文で case default が使たファイルも生成するが，これは構造モデル候補のスえるのは言うまでもない．If・Select 構文は一段だけクリーニングに使える．比較的安定な誘導構造の CIF入れ子にできる．ただし，内側の構文は一つ以上字下を cifconv で処理すれば，VASP を始めとする DFTげしなければならない．

計算プログラム用の入力ファイルが得られる．

Tink は複雑な手続きによりテキストを処理するが，cifconv は MADEL 用入力ファイル hoge.pme を作

長年にわたり使い込んできた結果，枯れ切っている．

成できるように supercell の出力した酸化数に関するわずかな変更により独創的な character user interface

部分を整形するとともに，RIETAN-FP や VESTAを再利用できたのは大きな喜びだった．構造解析プロで入力できるようサイト名を変更する機能も備えていグラムを INCAR の作成に使うのは奇手といって過言る． た と え ば，supercell の 出 力 し た CIF か らでないが，簡便性と使い勝手の良さを兼ね備えた機能

RIETAN-FP で粉末回折パターンをグラフ化して実を実現できたことを誇りに思う．

測パターンと比較し，VESTA で結晶構造を表示する

6. 他の第一原理計算プログラムの実行ことができる．

8. 正極材料への応用

VASP を購入する資力を持ち合わせていない人達のために， 無料ソフトである Quantum ESPRESSO，最後に，cifconv を活用して VASP 用入力ファイル

OpenMX，xTAPP，RSDFT の入力ファイルも作成を作成する手続きを略述する．まず，全サイトの占有できるようにした．具体的には C-Tools12）の GUI を経率が 1 である LiCoO2 を取り上げる．ICSD のデータベー

由せずに，VASP 用入力ファイル INCAR 等を c-tools（LiCoO2.cif）の中身を表 1 に抜
スから出力した CIF16）

コマンドで直接変換する．C-Tools は CIF の入力が粋した．三方晶系に属するが，六方格子の軸設定を採苦手な反面，安定かつ高速なファイル変換ツールとし用している．雛形ファイル INCAR.ins を開き，VASPて利用価値が高い．上記 4 つの DFT 計算プログラムの計算に必要なカットオフ・エネルギー（ENCUT），用の入力ファイルはかなり多くのデータを含む上，対称性利用の有無（ISYM），スピン分極の有無（ISPIN）

C-Tools の UDF setup ダイアログで手軽に変更でき等のパラメーターを入力する．不要なタグは # を付るので，第一原理計算の出発点として十分使える．

けて注釈にする．上述のように，計算モード（変数xTAPP の場合は，入力支援・可視化ツール TAPIOCA

MODE）として①エネルギー一点計算，②バンド計算，の併用も推奨したい．

③ DOS 計算，④構造最適化を数字で指定する．もち7. Supercell の活用

表1

VASP は基本的に占有率が 1 のサイトだけからなる結晶構造に関する情報
LiCoO2

LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2化合物を扱う．固溶体や一部のサイトが欠損した不定

格子定数 /Å

2.8161（5）2.860（2）比化合物の場合， ， ， 方向に整数倍の周期をもち，格子定数 /Å14.0536（5）14.227（8）

全サイトの占有率が 1 であり，なおかつ電気的中性が空間群3（No. 166）

3（No. 166）保たれている誘導構造（derivative structure）を対象とする近似計算が有効である．最新の誘導構造導出プ
ログラム supercell13）

は入出力ファイルを CIF に統一しているため，cifconv との相性が良い．CIF の入出力は Open Babel2）に任せており，安定している．
cifconv は hoge.cif という名前の CIF から hoge̲sc

セラミックス54（2019）No. 7

サイ卜名（酸化数）
分率座標 ， ，占有率Li1（＋1）: 0 0 0.5 1.0
Li1（＋1）: 0 0 0 0.975
Co1（＋3）: 0 0 0 1.0
Co1（＋3）: 0 0 0.5 0.33333
O1（−2）: 0 0 0.2592 1.0 Ni1（＋2）: 0 0 0.5 0.309
Mn1（＋4）: 0 0 0.5 0.33333
O1（−2）: 0 0 0.2411 1.0
Li2（＋1）: 0 0 0.5 0.025
Ni2（＋2）: 0 0 0 0.025475

ろん MODE は INCAR.ins 内でのみ有効で，INCARには残らない．
変数 ILDAU を 1 に設定すると，自己相互作用の補
正法 DFT＋U が使える． 磁気モーメントの初期値（MAGMOM），＋U 補正を加える電子軌道の方位量子数（LDAUL）， パラメーター（LDAUU）， パラメーター（LDAUJ）を各元素に対して与える．その際には，格子定数と原子位置の初期値を与える POSCAR と擬

図2

POSCAR に出力された誘導構造のイメージ（Li と Oは省略）．左が静電エネルギー的に最も安定な構造．

ポテンシャル・データを記録した POTCAR の場合と同 じ 元 素 順 で 入 力 し な け れ ば な ら な い． し か し，

RIETAN-FP・VENUS シ ス テ ム に 新 メ ン バ ー

cif2cell がどういう元素順で両ファイルを作成するのcifconv が加わったのは望外の喜びだった．今後も拙か を 事 前 に 知 るのは無理である． そこで， 試しに作ソフトの改良と無料ハンズオンの開催を続行し，研cifconv を実行してコンソールに出力された元素名の究環境の格差を少しでも是正するよう微力を尽くして順番を参照し，INCAR.ins に反映させるとよい．

いきたい．

LiCoO2.cif と INCAR.ins を同じフォルダーに置いてcifconv を実行すると，コンソール出力から元素の順番が Co，O，Li であることがわかる．INCAR.ins 中のMAGMOM 等ではその順にデータを入力する．引き続き cifconv を再実行すると，LiCoO2̲VASP フォル
ダー中の VASP 用入力ファイル INCAR，POSCAR，POTCAR，KPOINTS が更新される．
次の試験には，固溶体の例として三元系正極材料
LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2（NMC）を選んだ．LiCoO2 と同じ空間群に属するが，3 サイトを Ni，Mn，Co が 1/3ずつ占める．また，Li+ と Ni2+ のイオン半径が互いに近いため，Li と Ni が少し混ざり合った構造を持つ．
ICSD データーベースから出力した CIF17）（NMC.cif）
における主要データは表 1 の通りである．NMC.cif の冒頭に#supercell 2x2x1と追記してから cifconv で処理すると，NMC̲sc フォルダー中に同一名の NMC.
cif が生成する．それを秀丸エディタか Jedit Ωで開き，supercell マクロを実行すると，2x2x1 フォルダーが生成し，誘導構造の CIF ファイルが 20 個出力される．
そのフォルダーに INCAR.ins をコピーし，supercellが出力した CIF ファイルの一つを支援環境で表示させてから cifconv マクロを実行し，上述のように元素謝 辞 第一原理計算関連機能を cifconv に追加するためのモチベーションと貴重な助言を与えていただいた森分博紀，田口綾子（JFCC）の両氏に感謝する．
文献1） S. R. Hall, F. H. Allen and I. D. Brown, “InternationalTables for Crystallography”, Vol. G（2006）4.1.
2） http://openbabel.org/wiki
3） K. Momma and F. Izumi,., 44, 12721276（2011）.
4） https://bit.ly/2VJzL5P5） F. Izumi and K. Momma,., 130, 15-20（2007）.
6） K. Momma, T. Ikeda, A. A. Belik and F. Izumi,., 28, 184-193（2013）.
7） 泉 富士夫，まてりあ，56，393-396（2017）.
8） 泉 富士夫，まてりあ，56，453-457（2017）.
9） 泉 富士夫，まてりあ，56，503-507（2017）.
10） https://www.vasp.at/11） T. Björkman,., 182, 1183-1186（2011）.
12） https://sourceforge.net/projects/c-tools/
13） K. Okhotnikov, T. Charpentier and S. Cadars,., 8, 17（2016）.
14） http://fujioizumi.verse.jp/download/download.html
15） https://bit.ly/2DIijnW16） J. Akimoto, Y. Gotoh and Y. Oosawa,.,141, 298-302（1998）.
17） S.-C. Yin, Y.-H. Rho, I. Swainson and L. F. Nazar,., 18, 1901-1910（2006）.の順序を調べる．NMC の場合，Ni，Mn，Co，O，Liの順となる．INCAR.ins 中の元素データをその順に変更してから cifconv をバッチモードで実行すると，20個の CIF ファイルごとに VASP 用入力ファイル 4 つがサブフォルダーに生成する．POSCAR に記録された Ni，Mn，Co 原子の座標から VESTA で描画した二つのイメージを図 2 に示す．
引き続き，マーデルング・エネルギーを判定基準とするスクリーニングにより有力候補を選び，VASP で計算する．今回は最も安定な構造で収束を確認した．

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筆 者 紹 介泉富士夫（いずみ ふじお）
ファインセラミックスセンター客員研究員，京都大学大学院工学研究科研究員．
［連絡先］ ファインセラミックスセンター，京都大学大学院工学研究科
E-mail：ﬁzumi3776@gmail.com
宮崎 晃平（みやざき こうへい）
京都大学大学院地球環境学堂准教授．
［連絡先］ 〒 615-8510 京都府京都市西京区京都大学桂 A クラスター
京都大学大学院工学研究科
E-mail：myzkohei@elech.kuic.kyoto-u.ac.jp

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