チュートリアル

Quantum ESPRESSO
Effective Screening Medium(ESM) 法
V11.5.0
2023年4月10日

株式会社クロスアビリティ

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

1

本書について•本書はWinmostar V11の使用例を示すチュートリアルです。

•

初めてWinmostar V11をお使いになる方はビギナーズマニュアルを参照してください。

•

各機能の詳細を調べたい方はユーザマニュアルを参照してください。

•

本書の内容の実習を希望される方は、講習会を受講ください。
– Winmostar導入講習会：基礎編チュートリアルの操作方法のみ紹介します。

– Winmostar基礎講習会：理論的な背景、結果の解釈の解説、基礎編チュートリアルの操作方法、基礎編以外のチュートリアルの一部の操作方法を紹介します。
– 個別講習会：ご希望に応じて講習内容を自由にカスタマイズして頂けます。
•

本書の内容通りに操作が進まない場合は、まずよくある質問を参照してください。

•

よくある質問で解決しない場合は、情報の蓄積・管理のため、お問合せフォームに、不具合の再現方法とその時に生成されたファイルを添付しご連絡ください。

•本書の著作権は株式会社クロスアビリティが有します。株式会社クロスアビリティの許諾な
く、いかなる形態での内容のコピー、複製を禁じます。
Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

2

概要
••

Al単原子膜（スラブ）を電極として扱うESM法計算を実施します。ここではVacuum-slab-metal(bc3)を表す境界条件を使用します（下図）。
※QEのESMの実装の都合上、スーパーセルの端が下図の中央に位置します。

slab

•

•metal

まず印加電圧なしのconstant-N(電子数一定)計算、次に印加電圧0.5 Vのconstant-μ(化学ポテンシャル一定)計算を実施します。
その後、スラブ(slab)と仮想電極(metal)の間に0.5 V程度の電位差が生じていることを確認します。
constant-N計算
印加電圧なしconstant-μ計算
印加電圧0.5 V

結果の解析

注意点：• k点の取り方、バンド数、擬ポテンシャルの種類、カットオフエネルギー、smearing幅は計算結果に影響を与えます。本チュートリアルではすぐに結果を取得できるよう、精度を落とした設定を用います。
• ESM-RISM対応版QEを使用する場合は補足の説明を確認してください。
◆ Quantum ESPRESSOの計算方法及び計算設定内容の詳しい説明は、次の弊社記事をご覧ください。
https://qiita.com/xa_member
Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

3

動作環境設定•

Winmostar V11.5.0以降を利用しかつ64bit環境をご利用の方は、CygwinWM 2023/04/05バージョン以降をインストール、環境設定してください。
–•

2023/04/05バージョン以降のCygwinWMには推奨バージョンの64bit版Quantum ESPRESSOが同梱されています。

上記に該当しない場合、または推奨バージョン以外のQuantum ESPRESSOを利用したい方は、別途Windows版Quantum ESPRESSOのインストールと環境設定が必要です。

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

4

Winmostar V11の動作モード
V11にはプロジェクトモードとファイルモードの2つの動作モードが用意されています。
本書ではプロジェクトモードでの操作方法を解説します。
ファイルモードの操作方法はV10のQuantum ESPRESSOチュートリアルを参照してください。

プロジェクトモード V11新機能
ユーザは個々のファイルを意識することなくジョブを管理できます。
基本的にこのモードを推奨します。
ファイルモード
ユーザは個々のファイルを明示的に作成、管理します。操作方法はV10以前と一緒です。

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

5

I. 系のモデリング（constant-N計算）
基本的な操作方法はQE基礎編チュートリアルを参照してください。
1. Winmostarを起動し、新規プロジェクト（3次元構造を入力）をクリックします。（すでに起動している場合は先にファイル｜閉じるをクリックします。）
2. プロジェクト名に「al_esm」と入力し保存をクリックします。

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

6

I. 系のモデリング（constant-N計算）
初期構造の作成方法の詳細はWinmostarユーザマニュアル 5.初期構造の作成方法を参照してください。ここでは既存の分子構造ファイルを読み込ませます。
1. ファイル｜インポート｜Samplesファイル｜al_slab.cifをクリックします。
–

任意のファイルを読み込む場合はこの段階で代わりにファイル｜ファイルをインポートを使います。

2. ファイルをインポートダイアログで破棄して読み込みをクリックします。
3. 分子表示エリアに所望の構造が出現することを確認します。（カメラを回転するとスラブ構造を確認できます）

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

7

II. 計算の実行（constant-N計算）
1. ソルバからQuantum ESPRESSOを選択し、(ワークフロー設定) をクリックします。

2. 「現在のセルはプリミティブセルに変換可能です...変換しますか？」と表示されたらいいえをクリックします。
3. K pointsをMonkhorst-Pack(Slab)に変更し、Metalにチェックを入れ、Pseudopz-*vbc.upfに変更します。

fileを4. Detailsをクリックします。

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

8

II. 計算の実行（constant-N計算）
1. ESMタブを選択し、assume_isolated = ‘esm’にチェックを入れ、esm_bcをbc3に変更します。
2. OKをクリックします。
3. Quantum ESPRESSO Workflow SetupウィンドウでOKをクリックし、ジョブの設定ウィンドウで適宜設定した後実行をクリックします。

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

9

III.系のモデリング（constant-μ計算）
1. 選択｜すべてをグループ選択をクリックします。
2.

グループ編集｜グループを固定/固定解除をクリックしFixをクリックします。
– Constant-mu計算では電荷が最適化されます。電荷を最適化するためにはアルゴリズム上は座標も併せて最適化する必要があります。全原子に最適化フラグを設定し最適化を抑制することで電荷のみが最適かされます。

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

10

IV.計算の実行（constant-μ計算）
1. Constant-mu計算の設定キーワードはQEのバージョンに依存するため、 （環境設定）をクリックし、計算タブの使用するQEのバージョンを適切に設定し、OKをクリックします。
（QE5.2.1の場合は「<6.8」、CygwinWMに同梱されているQE7.1の場合は「7.1」）

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

11

IV.計算の実行（constant-μ計算）
1. 作業フォルダでwork1_QE_SCFの状態がEND（青）に変化した後、(ワークフロー設定) をクリック「継続ジョブを実行しますか？」と聞かれたらいいえをクリックします。
2. 「現在のセルはプリミティブセルに変換可能です...変換しますか？」と表示されたらいいえをクリックします。
3. Detailsをクリックします。
4. Basicタブのcalculationを「relax」、ion_dynamicsを「bfgs」に変更します。

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

12

IV.計算の実行（constant-μ計算）
1. ESMタブでlfcoptをチェックし、Enter Relative Potentialをクリックします。
2. 基準電圧とする計算の出力ファイルを聞かれるので、constant-N計算の作業フォルダのログファイル（work1_QE_SCF¥pw.pwout）を開きます。次に、「0.5」（印加電圧）を入力しOKをクリックします。「The reference Fermi energy…」と表示されたらはいをクリックします。最後にfcp_muに設定された値（本書では「-0.28315」）をメモ帳などに記録します。

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

13

IV.計算の実行（constant-μ計算）
1. Quantum ESPRESSO Keyword SetupウィンドウでOKをクリックして閉じます。
2. Quantum ESPRESSO Workflow SetupウィンドウでOKをクリックし、ジョブの設定ウィンドウで適宜設定した後実行をクリックします。

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

14

IV.計算の実行（constant-μ計算）
フェルミエネルギーの目標値（fcp_mu）が、入力ファイルではRyで書く一方、ログファイルにはeVで出力されるので、ここでeVでの値を把握しておきます。
1. ツール｜単位を変換をクリックします。
2. 物理量をEnergy、左の単位をRy、右の単位をeVに変更し、先ほどコピーしたfcp_muの値を左の入力欄にペーストします。右に表示される値がconstant-μ計算におけるフェルミエネルギーの目標値です。

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

15

V. 結果解析
1. 作業フォルダでwork2_QE_Relaxの状態がEND（青）に変化した後、作業フォルダでwork2_QE_RelaxをクリックしアクションでAnimationをクリックします。
2. アニメーション操作エリアのColumnを「11」（ESM-RISM対応QEの場合は「9」）に変更
するとフェルミエネルギーの変化がグラフ化されます。P.16で計算した値に漸近していることを確認します。

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

16

V. 結果解析
1. アニメーション操作エリアのColumnを「9」（ESM-RISM対応QEの場合は「7」）に変更す
ると電荷の変化がグラフ化されます。

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

17

V. 結果解析
1. 作業フォルダでwork2_QE_RelaxをクリックしアクションでCharge/Energyリックします。

Profileをク

2. TermsでTot chg（電荷）とAvg v_hart+v_loc（ポテンシャル）だけにチェックが入った状態にしDrawをクリックします。
–

このグラフはz=0（スラブの位置）が中央に来るよう作図されている点に注意

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

18V. 結果解析
1. constant-N計算と-μ計算の間で電荷またはポテンシャルの差分を計算し表示したい場合は、Select another esm1 file and plot differenceにチェックを入れ、constant-N計算の作業フォルダのwm.esm1ファイル（work1_QE_SCF¥wm.esm1）を選択します。

2. Drawをクリックします。

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

19

最後に
•

各機能の詳細を調べたい方はユーザマニュアルを参照してください。

ユーザマニュアル

Winmostar 講習会の風景•

本書の内容の実習を希望される方は、Winmostar導入講習会、Winmostar基礎講習会、または個別講習会の受講をご検討ください。（詳細はP.2）•

本書の内容通りに操作が進まない場合は、まずよくある質問を参照してください。

•

よくある質問で解決しない場合は、情報の蓄積・管理のため、お問合せフォームに、不具合の再現方法とその時に生成されたファイルを添付しご連絡ください。
以上
Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

20