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Quantum ESPRESSO 실습 튜토리얼 (그래핀)
원자 구조 시각화하기

원자 구조 시각화하기

1. 초기 설정

  1. Materials Project에서 계정을 만든다.
  2. 운영체제에 맞는 VESTA를 다운로드하고 설치한다.

2. Drill 1: Graphene

2.1 구조 파일 다운로드

Materials Project에서 graphene을 검색하고 시각화할 구조를 선택한다.

Materials Project에서 graphene을 검색하는 화면

구조 파일을 POSCAR 형식으로 다운로드한다.

Materials Project에서 graphene POSCAR를 다운로드하는 화면

2.2 VESTA에서 구조 열기

다운로드한 파일의 이름을 다음과 같이 바꾼다.

C.poscar -> C.vasp

그다음 파일을 VESTA를 실행하고, 빈 화면에 C.vasp 파일을 드래그해서 연다.

VESTA에서 연 graphene 구조

2.3 화면에 표시되는 unit cell 범위 조정

Box 1에서 왼쪽 하단에 있는 다음 메뉴를 연다.

Style -> Boundary

예를 들어 다음과 같이 설정한다.

x(max): 2
y(max): 2

이 설정은 화면에 표시되는 범위만 바꾼다. 실제 lattice vector를 수정하거나 물리적인 supercell을 새로 만드는 것은 아니다.

Style panel, view toolbar, menu bar가 표시된 VESTA 화면

그림의 숫자는 이 튜토리얼에서 사용하는 VESTA 인터페이스 영역을 나타낸다.

  • Box 1: Style panel: Boundary…에서 화면에 표시할 범위를 조절한다.
  • Box 2: View/orientation toolbar: lattice-axis 및 회전 도구를 사용해 구조를 여러 방향에서 확인한다.
  • Box 3: Menu bar: [Edit] -> [Bonds]에서 bond를 정의하거나 수정한다.

2.4 C-C bond 정의

다음 메뉴를 연다.

[Edit] -> [Bonds] -> [New]

다음과 같이 설정한다.

A1: C
A2: C

nearest-neighbor C-C 거리가 포함되도록 bond-length range를 지정한 뒤 Apply를 누른다.

3. Drill 2: CaTiO3

3.1 구조 파일 다운로드 및 열기

위의 과정과 같은 방식으로, Materials Project에서 CaTiO3를 검색한다. POSCAR 파일을 다운로드한 뒤 VESTA에서 연다.

3.2 Polyhedral view 사용

다음 스타일을 선택한다.

Style -> Polyhedral

Polyhedral representation을 사용한 CaTiO3 구조와 VESTA 인터페이스

여기서도 같은 숫자 표기를 사용한다.

  • Box 1: Style panel: Polyhedral을 선택한다.
  • Box 2: View/orientation toolbar: 구조를 회전하거나 특정 lattice direction에 맞춰 본다.
  • Box 3: Menu bar: coordination environment를 정의할 때 Edit -> Bonds를 연다.

3.3 Ti-O bond 정의

다음 메뉴를 연다.

Edit -> Bonds

Ti-O bond를 정의해 준다.

A1: Ti
A2: O

Ti 주변의 nearest O 원자들이 포함되도록 maximum bond length를 설정하고 다음 옵션을 활성화한다.

Show polyhedra

Ti 중심 산소 polyhedra를 만들기 위한 Ti-O bond 설정

4. VASP 구조 파일 읽기

일반적인 POSCAR 형식은 다음과 같이 구성된다.

Line 1       노트 (보통 시스템 이름을 씀)
Line 2       Scaling factor
Lines 3-5    Lattice vectors
Line 6       Atomic species
Line 7       Number of atoms
Line 8       Direct or Cartesian
Line 9-...   Atomic coordinates

‘coordinate line의 개수 (Line 9부터 파일 끝까지의 line 수)‘는 위에 적힌 ‘전체 원자 수 (Line 7 각 항목의 합)‘와 반드시 일치해야 한다.

Graphene POSCAR의 주요 항목을 표시한 화면

Direct coordinates

Direct에서는 원자 위치가 lattice vector (Line #3 - #5)에 대한 fractional coordinate (Line #9 - …)로 표현된다.

$$ \mathbf{r}=f_1\mathbf{a}_1+f_2\mathbf{a}_2+f_3\mathbf{a}_3 $$

Cartesian coordinates

Cartesian에서는 원자 위치가 Cartesian coordinate로 직접 표현된다.

$$ \mathbf{r}=(x,y,z). $$

4.1 POSCAR의 text와 VESTA의 atom 연결하기

POSCAR의 atomic coordinate와 VESTA의 atom entry를 연결한 화면

그림의 표시는 구조 파일을 확인할 때 다음과 같이 확인할 수 있다.

  • 파랑: POSCAR의 coordinate row 개수는 위에 적힌 atom count와 반드시 같아야 한다.
  • 빨강 1: Objects panel: VESTA에서는 Objects 아래에 구조의 atom이 표시된다.
  • 빨강 2: atom list: POSCAR의 첫 번째 coordinate line은 VESTA의 첫 번째 atom entry, 이 예제에서는 C1, 에 대응된다.

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