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atomsk 安装与使用

约 973 个字 267 行代码 预计阅读时间 7 分钟

介绍

  • 强大的结构建模工具；同 latgen 相比，可生成孪晶、晶界、位错、层错等更多复杂构型

  • 示例丰富，文档详细

  • atomsk 中的 cfg 格式文件可用 OVITO 打开，VESTA 无法打开

  • 暂时没有的功能：

    • 无法直接构造八面体、四面体间隙的点缺陷（需自己手动将间隙原子插入到正确的位点中）

  • 只能构建 BCC、FCC、HCP 结构的特殊取向，其他结构不能（如四方结构，会报错）

安装

# 编译 LAPACK
cp make.inc.example make.inc
make # 耗时较长

# 拷贝编译得到的静态库文件
make -p ${HOME}/local/lib/lapack
cp *.a ${HOME}/lib


# atomsk 编译、安装
# 下载 atomsk 源代码，进入 src 目录，修改 Makefile 文件
LAPACK=-L${HOME}/local/lib/lapack -llapack -lrefblas
INSTPATH=$HOME/local/atomsk
CONFPATH=${INSTPATH}/etc

# 编译
make atomsk     # 或 make -j4 atomsk

# 安装
make -p ${HOME}/local/atomsk/bin
# 方式 1
make install
# 方式 2
make INSTPATH=${HOME}/local/atomsk install

# 编译成功
\o/ Compilation was successful!

<i> To install Atomsk system-wide, you may now run:
      sudo make install
  • 编译 ifort 版本
# 导入 Intel OneAPI 套件
module purge

module load intel-oneapi-compilers/2021.4.0
module load intel-oneapi-mpi/2021.4.0
module load intel-oneapi-mkl/2021.4.0

git clone https://github.com/pierrehirel/atomsk.git

cd atomsk/src

make -f Makefile.ifort atomsk

# 超算（思源）使用 atomsk 时
# 需设置 libiomp5.so 文件的软链接
# 或使用前 module load intel-oneapi-compilers/2021.4.0
ln -s /dssg/opt/icelake/linux-centos8-icelake/gcc-8.5.0/intel-oneapi-compilers-2021.4.0-rszhbg2vjwqqeddqqdryjwxromenbfmr/compiler/2021.4.0/linux/compiler/lib/intel64_lin/libiomp5.so ~/lib/libiomp5.so
  • macOS 编译 atomsk（详细编译说明查看 Makefile.macos 文件内容）
# 需安装 LAPACK 和 OpenMP（非必需）
# 修改 Makefile.macos 中的 LAPACK lib 路径
# 并将 -lrefblas 改为 -lblas，最后编译
make -f Makefile.macos atomsk

使用

基本

atsk abin bop bx cfg cel cif coo csv d12
dat dd dlp fdf gin imd jems lmp mol
pdb pos pw str vesta xmd xsf xv
xyz exyz sxyz

# 配置文件路径
~/.config/atomsk.conf

# 内容
colour yes
colour_error red bold blink

结构建模

               <structure> | N.lattice cst. | N.at.sp.
              -------------+----------------+----------
CUBIC                  sc  |       1        |     1
LATTICES              bcc  |       1        |   1 or 2
                      fcc  |       1        |   1 or 2
                  diamond  |       1        |   1 or 2
                     L1_2  |       1        |     2
                 fluorite  |       1        |     2
                rock-salt  |       1        |     2
               perovskite  |       1        |     3
                      A15  |       1        |     2
                      C15  |       1        |     2
              -------------+----------------+----------
TETRAGONAL             st  |  2 (a and c)   |   1 or 2
LATTICES              bct  |  2 (a and c)   |   1 or 2
                      fct  |  2 (a and c)   |   1 or 2
              -------------+----------------+----------
HEXAGONAL             hcp  |  2 (a and c)   |   1 or 2
LATTICES         wurtzite  |  2 (a and c)   |     2
                 graphite  |  2 (a and c)   |   1 or 2
                       BN  |  2 (a and c)   |     2
                      C14  |  2 (a and c)   |     2
                      C36  |  2 (a and c)   |     2


st, simple tetragonal            # 简单四方
bct, body-centered tetragonal    # 体心四方
fct, face-centered tetragonal    # 面心四方（L1_0）
BN, B12 phase
A15, Cr3Si type
C15, laves phase
C14, laves phase
C36, laves phase

常用 options、modes

  • 查看所有的 options 和 modes 及其用法：Documentioin - Atomsk

  • options：应用于体系的变换（transformations），用 - 区分

  • modes：允许执行特定的操作，构造，分析或操纵多个数据文件（operations, constructions, analysis, manipulate），用 -- 区分

  • 常用 options

-orient                     # 晶体取向
-duplicate                  # -dup；扩胞
-rotate                     # 旋转轴
-orthogonal-cell            # 转变为正交胞
-reduce-cell                # 保持周期性的同时减小胞的大小；参数值 x/y/z/p
-fractional                 # -frac；分数坐标（VASP 格式）
-sort                       # 根据 properties 对原子进行排序
-fix                        # 固定原子坐标轴
-shift                      # 移动原子
-substitute                 # 元素替换
-wrap                       # 将胞外原子施加 PBC 移至胞内
-cell                       # 修改 box 的 cell vector；可 add、set、rm
-center                     # 使体系移至 box 的中心
-add-atom                   # 添加原子
-wrap                       # 将胞外原子通过 PBC 到胞内
-properties                 # 设置 properties
-remove-doubles             # 删除重复的原子
-remove-atom                # -rmatom；删除原子
-mirror                     # 施加镜像操作（mirror transformation）
-deform                     # -def；使体系变形：通过施加正/切应变（box 和 原子一起）
-disturb                    # 随机移动原子位置（随机扰动）
-select                     # 根据准则选择原子
-dislocation                # 插入位错（位错线、位错环）
  • 常用 modes
--create                # 构建晶体结构
--merge                 # 合并两个构型
--rdf                   # RDF 计算

# 报错内容：一次只能使用一个 mode
X!X ERROR: only one mode can be used at a time.
  • Program behaviour
-ov            # overwrite；覆写文件
-v N           # verbosity；
# N 可选值
0              # 不会输出内容到屏幕/log 文件，Errors、warnings、questions 仍会输出到屏幕 
1              # 只输出内容到屏幕
2              # 只输出内容到 log 文件
3              # 输出内容到屏幕、log 文件

常用命令实例

# 构建晶体结构
--create fcc 4.02 Al               # FCC
--create hcp 2.92 4.61 Ti          # HCP，基矢: H1=[2-1-10], H2=[-12-10], H3=[0001]
--create perovskite 3.905 Sr Ti O  # 钙钛矿结构

# 构建晶体特定取向的构型
--create fcc 4.041 Al -orient "[1-10]" "[11-2]" "[111]"

-reduce-cell p                     # 寻找原胞

-duplicate 1 1 4                   # 扩胞

-sort species pack                 # 将相同的元素排在一起（写入 VASP POSCAR 有用）
-sort z up                         # 按原子 z 坐标从小到大排序

# 笛卡尔、分数坐标互相转换（用于 VASP）
atomsk POSCAR vasp                 # 笛卡尔坐标
atomsk POSCAR -fractional vasp     # 分数坐标

# CONTCAR 转 POSCAR
atomsk CONTCAR -fractional -ow POSCAR

# 添加真空层
# 以下命令能正确地给非正交胞添加真空层，即晶格角度不发生变化
# 但底部和两端时，原子顺序会发生改变，对表面能计算无影响
-cell add 15.0 z                       # 在 z 轴顶部添加真空层；x、y、z 可写成 H1 H2 H3
-cell add 15.0 z -shift 0 0 15.0 z     # 在 z 轴底部添加真空层
-cell add 15.0 z -shift 0 0 7.5 z      # 在 z 轴两端添加真空层

# 固定原子坐标轴
-fix x -fix y                      # 固定原子的 x、y 轴
-fix x below 4.05 z                # 根据 z 轴数值固定 x 轴

-def zx 5%                         # 使 z 轴沿 x 方向进行切应变

-center 0/com                      # 移动所有原子，使其质心在 box 中心；会使位于 box 边缘的原子位点稍微往胞里靠，和 ase Atoms 的 center 方法效果不同

# 添加原子（分数坐标）
-add-atom Si at 0.25*box 0.33*box 0.5*box

# 给定准则选择原子
# 选择矩形盒子内的原子；矩形盒子区域 X=[0;1.0*box], Y==[0.5*box;1.0*box], Z=[0.48*box;0.52*box]
-select in box 0 0.5*box 0.48*box 1.0*box 1.0*box 0.52*box
-select in box 0 0.48*box 0.48*box 1.0*box 0.52*box 0.52*box
# 多个 select 是 || 的效果，而不是 && 的效果
-select above 0.48*box z -select below 0.52*box z -select above 0.48*box y Ti -substitute Ti Al

# 线性插值；用于 NEB
--interpolate initial.vasp final.vasp 7 vasp

# 随机扰动（最大 0.1 Å）
atomsk POSCAR -disturb 0.1 disturbed.cfg

# 格式转换
# 输出文件可为具体文件名，也可为文件格式；输出文件可以是多个
# 写入 cif 文件时，总是假设空间群为 P1，写入所有原子位置
atomsk POSCAR xyz                  # 常用: xyz lammps/lmp vasp/pos cif

位错模型

# 螺位错
-dislocation <p1> <p2> screw <ξ> <n> <b>

# 刃位错
-dislocation <p1> <p2> <edge|edge_add|edge_rm> <ξ> <n> <b> <ν>

# 混合位错
-dislocation <p1> <p2> mixed <ξ> <n> <b1> <b2> <b3>

# 位错环
-dislocation loop <x> <y> <z> <n> <radius> <bx> <by> <bz> <ν>

# file 文件含位错线信息
-dislocation file <file> <ν>


# 参数
p1 p2               # 垂直于位错线的 2 个方向的坐标值
ξ                   # 位错线方向 x/y/z
n                   # 滑移面法向 x/y/z
b                   # 伯氏矢量模长
ν                   # 材料的泊松比（screw mixed 位错类型，缺省）

  • 注意事项

    • atomsk 不会自动寻找/调整位错的伯氏矢量，因此须手动提供精确的 b 值；也不会寻找位错中心的最佳位置，与原子位置完全匹配的坐标可能会出现不合理的位移
    • 一般让 x 为位错的滑移方向，y 方向为滑移面法向（视觉上的 z 轴），z 方向为位错线方向
    • 一般在位错线方向具有周期性（模型沿该方向的长度可以很小），其余两个方向不具有周期性（模型沿该方向的长度需要足够大）
    • 一般需要对滑移面法向的顶部和底部进行固定
    • -dislocation 可给指定输入构型文件（原子位置不都在理想晶格位点上，如 300K 温度下弛豫后）添加位错
    • 添加的位错位置不能是 0.50*box 0.50*box，会出现某个原子的坐标值为 NAN 的错误，而应写成 0.501*box 0.501*box
    • 引入 dipole（位错偶）、quadrupole（4 个） 等多个螺位错，使伯氏矢量之和为 0，可实现 3 个方向都具有周期性

  • 刃位错

# FCC 滑移系 1/2<110>{111}；伯氏矢量 b=1/2[110]
# 刃位错 位错线方向与伯氏矢量垂直
atomsk --create fcc 4.041 Al orient "[110]" "[-111]" "[1-12]" -duplicate 60 20 4 Al_supercell.xsf

atomsk Al_supercell.xsf -dislocation "0.51*box" "0.51*box" edge Z Y 2.860954 0.33 Al_edge.cfg
  • 螺位错
# 螺位错 位错线方向与伯氏矢量平行
atomsk --create fcc 4.046 Al orient "[1-12]" "[-111]" "[110]" -duplicate 40 20 1 Al_supercell.xsf

atomsk Al_supercell.xsf -dislocation "0.51*box" "0.501*box" screw Z Y 2.860954 Al_screw.xsf

孪晶模型

# 通过调整孪晶面法向（沿 y 方向）扩胞的大小，可调整孪晶间距
atomsk --create fcc 4.041 Al orient "[11-2]" "[111]" "[-110]" -duplicate 1 4 1 Al_cell.xsf

# 只有原子位置会被镜像，box 不会，因此该操作后原子会到 box 外面，需使用 -wrap
atomsk Al_cell.xsf -mirror 0 Y -wrap Al_mirror.xsf

# 合并/堆叠至一起
atomsk --merge Y 2 Al_cell.xsf Al_mirror.xsf Al_final.cfg

多晶模型

# 创建单晶的种子
atomsk --create fcc 4.041 Al Al.lmp

# polycrystal.txt
box 100 100 100      # 设置多晶模型盒子大小
random 6             # 设置晶粒数目（随机位置和方向）

# 生成多晶
atomsk --polycrystal Al.lmp polycrystal.txt -wrap Al_polycrystal.lmp

# 删除距离过近的原子
atomsk Al_polycrystal.lmp -remove-doubles 0.2 final.lmp


# 输出信息文件
*_size-dist.txt      # 晶粒大小的分布
*_param.txt          # 节点的位置和旋转信息
*_nodes.xsf          # 最终的节点位置
*_id-size.txt        # 晶粒中的原子数目和晶粒体积
*_grain-com.xsf      # 晶粒质心的位置

等原子比四元随机固溶体

  • 注意事项：若将 tmp*.cfg 换成 lmp 格式，无替换效果
a=3.254

# 替换比例 20% 25% 33.33% 50%
# 全部 -> 等原子比五元
# 后 3 个 -> 等原子比四元
# 后 2 个 -> 等原子比三元

atomsk --create bcc ${a} Nb -duplicate 20 20 20 tmp1.cfg
atomsk tmp1.cfg -select random 25% Nb -sub Nb Ti tmp2.cfg
atomsk tmp2.cfg -select random 33.33% Nb -sub Nb Al tmp3.cfg
# -sort species pack vasp 或 TiAlNbMo_random.lmp
atomsk tmp3.cfg -select random 50% Nb -sub Nb Mo -sort species pack vasp

rm -f *.cfg

含孪晶界纳米晶

  • 步骤：构建单晶种子，引入孪晶界（通过 -duplicate 可调控多晶中的孪晶间距？）；生成多晶

计算 Nye tensor

atomsk --nye reference.xsf dislocation.cfg nye.cfg

# 输出文件
nye.cfg             # 一般选取 Nye_33 数据在 OVITO 中进行 Color Coding
nye_G.cfg
nye_rotate.cfg
nye_strain.cfg