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PHASE: First-principles Electronic Structure Calculation Program

PHASE: First-principles Electronic Structure Calculation Program

 

PHASE: First-principles Electronic Structure Calculation Program

PHASEは、密度汎関数理論に基づく擬ポテンシャル法による平面波基底の第一原理電子状態計算プログラムです。全エネルギー、電荷密度分布、電子の状態密度、バンド構造、安定な原子構造などの計算ができます。

chsi001.jpg

計算事例    PHASE Examples

 

PHASE/0 2024.01 Release Note (2024/06/13)  new.gif 

・band_symmプログラムを更新しました。詳しくはband_symmのマニュアルを参照してください。
・ハイブリッド汎関数としてGau-PBEを利用することができるようになりました
・X-ray Emission Spectroscopy (XES) のスペクトルを計算することができるようになりました
・局所バンド構造の計算ができるようになりました
・射影バンド機能とバンドアンフォールディング機能を組み合わせて利用することができるようになりました
・フォノンバンドの縦波・横波比率を抽出することができるようになりました
・フォノンバンドのアンフォールディングができるようになりました
・deepmd 形式の教師データを出力することができるようになりました
・高精度なSTM像を得ることができるようになりました
・分散並列行列対角化ライブラリーEigenExa とリンクすることができるようになりました

PHASE/0 2023.01.01 Release Note (2023/11/30)  new.gif 

・DFT+U計算機能がデッドロックに入る場合がある不具合を修正しました
・不適切なメモリ管理を修正しました（例えば、gfortranを使うと誘電関数計算が異常終了していました）
・簡易指定によって単位胞を定義するとブロック単位が正しく読み込まれない不具合を修正しました
・二面角拘束が異常終了する不具合を修正しました
・DFT D3計算機能が単位胞に原子が一つしかない場合に正しく動作しない不具合を修正しました
・ハイブリッド汎関数法を用いたバンド計算が三次元版において動作しない不具合を修正しました
・富士通コンパイラーを用いると二次元並列版がコンパイルできない不具合を修正しました
・SC-DFT計算機能が三次元版において正しく動作しない不具合を修正しました
・六方晶に近い対称性をもつ結晶の計算が異常終了する不具合を修正しました
・PGIコンパイラーを用いると三次元並列版が異常終了する不具合を修正しました
・圧電定数計算機能が動作しない場合がある不具合を修正しました

PHASE/0 2023.01 Release Note (2023/06/29)  new.gif 

・利用できる拘束条件を追加しました
・SCF計算を高速化しました
・初期波動関数の作成方法を改良しました
    一部の収束しづらい問題の収束性が改善します
・格子最適化の際、格子と座標を同時に最適化することができるようになりました
    この方法を用いることによって、多くの問題で従来よりも少ない計算時間で収束解を得ることができます
・Libxcライブラリーとリンクすることができるようになりました

PHASE/0 2022.01 Release Note (2022/12/07) 

・バルクのバンドを表面ブリルアンゾーンに射影して描画することができるようになりました
・フォノンバンドを原子群に射影したり バルクのフォノンバンドを表面ブリルアンゾーンに射影したりすることができるようになりました
・ブロッキングパラメーターを自動調整することができるようになりました
・剛体ダイナミクス機能を追加しました
・Energy Density Analysis を行うことができるようになりました
・コリニア計算のポスト処理としてスピン軌道相互作用を取り込むことができるようにしました
・Distributed-memory FFTW とリンクすることができるようになりました
・分子動力学シミュレーションなどを行う際水素との結合を凍結することができるようになりました
・ベーダー解析の補正が旧型式の擬ポテンシャルを用いても行えるようになりました
・圧力一定の分子動力学シミュレーションのオプションを追加しました
・PIMDコードのエンジンとして用いることができるようになりました

PHASE/0 2021.02 Release Note (2022/02/19) 

・原子周囲の局所ポテンシャルの平均値を出力することができるようになりました。
・Dimer法が使えるようになりました。
・ランジュバン熱浴が使えるようになりました。
・計算中に一部計算条件を変更することができるようになりました。
・XANES計算機能において k点並列が使えるようになりました。
・富岳及びFX系マシンに対応しました。（Makefileを同梱しています）
・マニュアルのhtml版を作成しました。

PHASE/0 2021.01 Release Note (2021/09/09) 

・帯電欠損状態の評価機能を追加しました。
・Methfessel-Paxtonスメアリング機能を追加しました。
・原子分割局所状態密度（aldos）を高精度化しました。
・L-BFGS法による構造最適化法を追加しました。
・XPS計算機能を改良しました。
・機械学習によるニューラルネットワークポテンシャルの作成機能を追加しました。
・対称性の継続計算ファイルからの読み込み機能を追加しました。
・高速化（四面体法、など）をしました。
・バグ修正（ハイブリッド計算における力計算、など）をしました。

PHASE/0 2020.01.01 Release Note (2021/04/19) 

・以下の不具合を修正しました。
　・broyden法が設定によって異常終了する不具合の修正
　・四重極子法の不具合の修正
　・NPT-MD法の不具合の修正
　・"SC-DFT"の不具合の修正、及びサンプルが実行できなかった問題の修正
　・2D版がFFTW3以外でコンパイルできなくなってしまっていた問題の修正
　・ストレス補正機能を利用すると途中で対称性が変わってしまうことがある問題への対処
・その他
　・NPT/単位胞最適化のメモリ使用改善
　・2D版（src_phase）がM1 Macに対応しました（Makefileを添付しました）

PHASE/0 2020.01 Release Note (2020/12/16) 

・ バンドアンフォールディング計算機能を追加しました
・ 射影バンド構造計算機能を追加しました
・ NEB法を改良しました
・ DFT+U法を改良しました
・ 構造最適化手法としてFIRE法を追加しました
・ 一部の原子のみを対象とする振動解析が行えるようになりました
・ 全体的なハンドリングの向上を図りました
・ open core法が使えるようになりました
・ 状態密度図作成用の新しいスクリプトを追加しました
・ 一部計算機能の高速化/省メモリ化を実施しました
・SX-Aurora TSUBASA 用のMakefile を追加しました (Makefile.Aurora; 2 次元版のみ)

PHASE/0 2019.02 Release Note (2020/01/22)  

・座標データを別ファイルで指定できるようにしました。
・有限電場機能を追加しました。
・PBESol汎関数に対応しました。
・メタGGAに対応しました。
・ハイブリッド汎関数法によるバンド構造計算に対応しました。
・チェックポイントファイルが出力できるようにしました。
・四重極子計算機能に対応しました。
・Bader解析に適した電荷密度を出力することができるようにしました。
・格子最適化の振る舞いを改善しました。
・入力ファイル正誤チェックツールを追加しました。
・Atomic Simulation Environment (ASE)用のPythonスクリプトを更新しました。(ase 3.18.1, Python3)
・PHASE Viewerに「表面・界面ビルダー」機能を追加 しました。

PHASE/0 2019.01.01 Release Note (2019/09/13)  

・不具合を修正しました。

PHASE/0 2019.01 Release Note (2019/04/19)  

・分子動力学シミュレーション機能を改良しました。
        Nose-Hoover chain 法が使えるようになりました。
        “温度プロファイル”を設定することができるようになりました。
        原子群をある領域に閉じ込めることができるようになりました。
・BoltzTraP に対応しました。
・DFT-D3 法に対応しました。
・ストレステンソル補正機能を改良しました。
・ASL のFFTWラッパーが使えるようになりました。
・不具合を修正しました。

PHASE/0 2018.01.01 Release Note (2018/09/10)  

・不具合を修正しました。

PHASE/0 2018.01 Release Note (2018/08/21)  

・以下の機能が三次元版で利用できるようになりました。
        ベリー位相計算機能, PDOS, 固定電荷計算
・3D版に，低並列で利用する場合の高速化のオプションを追加しました。
・Atomic Simulation Environment (ASE)用のPythonスクリプトを追加しました。
・SC-DFT法に対応しました。
・ハイブリッド汎関数法を高速化しました。
・PAW法に非球面積分のオプションを追加しました。
・ESM法を高速化しました。
・不具合を修正しました。

PHASE/0 2017.01 Release Note (2018/02/23) 

・圧力一定の分子動力学シミュレーション法を実装しました。
・3軸並列版にストレステンソル，vdW-DF計算機能を加えました。
・ボルン電荷を簡単に計算できるようにしました。
・双極子補正機能に対応しました。
・バンド対称化プログラム(band_symm)を更新しました。
・不具合を修正しました。

PHASE/0 2016.01 Release Note (2017/05/08) 

・化学ポテンシャル一定のシミュレーション法を実装しました。
・ハイブリッド汎関数計算機能を高速化しました。（3軸並列版）
・不具合を修正しました。

PHASE/0 2015.01.01 Release Note (2016/07/28) 

・不具合を修正しました。
    ・Hybrid汎関数に関連する問題
    ・vdWDFに関連する問題
    ・ESMに関連する問題
    ・デフォルト設定の変更
    などに対応しました。

PHASE/0 2015.01 Release Note (2015/10/20)   

・ELNES/XANES解析機能を実装しました。
・バンド構造を群論に基づいて簡約化するプログラムband_symmを追加しました。
・計算事例を追加しました（スピン軌道相互作用をとりいれたバンド構造計算およびXANES解析計算）
・PAW法の不具合を修正しました。この修正によって、系によっては以前よりも収束性が向上しました。
（sw_PAW=onでDFT+UあるいはGGA+U法を使っている場合、以前の版ではこの版よりも全エネルギーが高くなる場合がありました）
・マニュアルを改訂しました。

PHASE/0 2014.03.01 Release Note (2015/06/03)   

・不具合を修正しました。
    ・スピンを考慮している計算でvdW-DF法が異常終了する問題
    ・Climing Image (CI) NEB法における問題
    ・NEB法の収束性に関する問題
    ・k点生成時にアロケートした配列への領域外参照が発生する問題
    ・3軸並列版において、交換相関エネルギーにrevPBEを指定できない問題
    ・3軸並列版において、MPIプロセス間の全エネルギー計算値の非常に僅かな差がデッドロックを引き起こすことがある問題
     などに対応しました。

PHASE/0 2014.03 Release Note (2014/12/01)   

・ハイブリッド汎関数計算機能を高速化・省メモリー化しました。（2軸並列版）
・vdW-DF計算機能を高速化しました。（2軸並列版）
・非局所ポテンシャルの実空間積分機能を3軸並列（G点並列）版に実装しました。
・波動関数予測機能を3軸並列（G点並列）版に実装しました。
・不具合を修正しました。
・マニュアルを改訂しました。

PHASE/0 2014.02 Release Note (2014/07/28)  

・ESM法を3軸並列（G点並列）版に実装しました。
・ハイブリッド汎関数の使用方法を改善しました。
・ハイブリッド汎関数の計算機能を改良しました。ハイブリッド汎関数の計算において、波動関数ソルバー pdavidson法とpkosugiを使用可能にしました。　　　
・不具合を修正しました。
・マニュアルを改訂しました。
・Intel Compiler (ifort)とGCC Compiler (gfortran)用のMakefileのテンプレートを追加しました。

PHASE/0 2014.01　Release Note (2014/05/12)

・波動関数ソルバー、電荷密度混合法の自動設定機能を追加しました。
・構造更新時の波動関数、電荷密度の予測機能を追加しました。
・時間依存型密度汎関数法計算を追加しました。
・有効遮蔽体（ESM）法等の計算機能のインターフェースを追加しました。
・ユニットセル最適化機能等を追加しました。
・仕事関数の計算機能を追加しました。
・波動関数ソルバー（修正Davidson法等）を改良（高速化）しました。
・ハイブリッド汎関数の計算機能を改良（高速化）しました。
・ファンデルワールス相互作用の計算機能を改良（高速化）しました。
・ノンコリニア系の計算、スピン軌道相互作用計算機能を追加しました。
・原子配置のチェック機能を追加しました。
・構造最適化機能にCG法の改良版を追加しました。
・フォノン計算機能を改良しました。
・非局所ポテンシャルや欠損電荷の演算を実空間で行うことができるようにしました。
・誘電応答解析プログラムUVSORを統合しました。
・3軸並列（G点並列）版の機能を拡充しました。
・不具合を修正しました。

 

主な特徴

  • Local Density Approximation (LDA) やGeneralized Gradient Approximation (GGA) を使って、密度汎関数法に基づいた電子状態の計算が可能です。この方法を使った計算結果がさまざまな学術雑誌に掲載されており、非常に信頼性の高い計算法であると言えます。
  • イオンコアの影響を擬ポテンシャルによって取り込み、価電子の波動関数を平面波により展開します。使用する擬ポテンシャルとしては、 Troullier-Martins 型のソフト擬ポテンシャルと、Vanderbilt 型のウルトラソフト擬ポテンシャルがあります。これらのソフト擬ポテンシャルを用いることで、計算に必要な平面波の数を減らすことができ、大規模計算が可能になります。
  • 波動関数の最適化には、残差最小化(RMM)法、Steepest Descent (SD)法、Modified SD法、一次元探索法などが選択できます。また、電荷密度の混合には、単純混合法、Broyden法などが使用できます。
  • 原子構造の最適化法としては、Quench法と GDIIS法が使えます。
  • PHASEはmpiを使用して並列化されています。大規模並列計算が可能です。
  • GUI環境として、PHASE Viewerが利用できます。

 

主な機能

計算手法

  • 擬ポテンシャル：  Troullier-Martins 型のソフト擬ポテンシャル、Vanderbilt 型のウルトラソフト擬ポテンシャル
  • 全電子計算： Projector Augmented Wave（PAW）法
  • 近似法： Local Density Approximation (LDA) 、Generalized Gradient Approximation (GGA)
  • 交換相関ポテンシャル： PZ81、PW91、PBE、RevPBE 他
  • 波動関数の最適化： 残差最小化(RMM)法、Steepest Descent (SD)法、Modified SD法、一次元探索法 他
  • スピン分極
  • DFT+U法、ハイブリッド汎関数、ファンデルワールス相互作用
  • 原子構造の最適化： Quench法と、GDIIS法
  • 第一原理分子動力学法計算

 

計算物性

  • 全エネルギー
  • 電荷密度： 全価電子密度、部分電荷密度
  • 状態密度： 全状態密度、局所状態密度
  • バンド構造
  • 原子構造： 構造最適化による安定な原子構造、分子動力学法計算による原子構造変化
  • 弾性定数
  • 誘電j関数： 電子系および格子系の誘電関数
  • 振動解析
  • 化学反応： NEB法、拘束条件付き構造最適化、Blue Moon法

 

動作環境

  • OS： Linux (32bit, 64bit)、Windows
  • Compiler： GNU Fortran/C、Intel Fortran/C
  • Library： MPI (openmpi, mpich etc)、FFTW (optional)

 

計算事例

 PHASE Examples