Materials Square

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Tutorial video
MatSQ는 서비스 사용에 익숙치 않은 유저들을 위해 Tutorial video를 제공하고 있습니다.

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계산모델 준비
Density Functional Theory (DFT)
연구에 사용한 물질을 컴퓨터로 시뮬레이션하려면 어떻게 해야 할까요? DFT를 이용한 시뮬레이션을 수행할 때는 컴퓨팅 성능의 한계로 단 몇 개에서 수십 개 정도의 모델에 대해서만 전자 구조를 계산해낼 수 있습니다. 이러한 한계를 극복하고 거시계와 비슷한 bulk 상태를 시뮬레이션하기 위해 주기경계조건 (periodic boundary condition)을 도입할 수 있습니다. 주기경계조건 하에서 물질은 다음과 같습니다.

주기경계조건 하에서 구조는 무한히 반복되기 때문에 원자 2 개를 갖는 실리콘 unit cell과 32 개를 갖는 실리콘 supercell, 그리고 실리콘 단결정은 이론적으로 동일합니다. 따라서 단결정 (bulk)을 시뮬레이션하기 위해서는 unit cell만을 모델링하면 됩니다. 또한 unit cell 안에서 원자는 space group의 규칙에 따라 배열되고 반복되므로, 실리콘 unit cell은 다음 정보만으로 모델링할 수 있습니다.

결정 (crystal)은 기저 (basis)와 격자 (lattice)로 이루어지며, 결정 중 일부를 계산 모델로서 사용하게 됩니다. 계산 모델의 기저는 원자 (atom), 격자는 낱칸 (cell)으로 말할 수 있으며, 컴퓨터는 structure builder 상에 보이는 계산 모델이 공간 상에서 무한히 반복되는 것으로 받아들입니다.
만일 계산 모델에서 cell 크기만을 늘려 진공 부분을 만들었다면, 이 역시 반복되는 것으로 인식하게 되어 계산량이 늘어나게 됩니다. 그렇기 때문에, 만일 원자나 분자, slab 구조를 모델링하기 위해 진공을 추가할 경우 다음 반복되는 모델과 10 ~ 15 Å 정도의 간격을 갖는 것이 적절합니다. 반복되는 구조는 structure builder의 visualizer canvas에서 우클릭 메뉴의 'Ghost' 에 체크하여 확인할 수 있습니다.

Helpful links
다음 링크에서 unit cell 모델링에 필요한 정보 혹은 구조 파일을 얻을 수 있습니다.

Molecular Dynamics (MD)
MD 시뮬레이션을 위해 모델링을 할 때 주기성을 고려하여야 합니다. 그러나 LAMMPS로 MD 시뮬레이션을 수행할 경우, 원자 개수가 너무 적으면 계산이 실패할 수도 있다는 데 주의해야 합니다. 일반적으로 수백 개 이상의 시스템을 사용하는 것이 권장됩니다.
MD는 원자의 움직임을 forcefield를 통해 시뮬레이션하는 기법으로, 계산량은 원자의 개수에 의존합니다.

Quantum Espresso
소재 시뮬레이션을 수행하기 위해 Materials Square에서 사용할 수있는 DFT 코드인 Quantum Espresso (QE)에 대해 간략하게 소개합니다. Quantum Espresso의 작동 원리와 가능한 역할에 대해 자세히 이해하려면 www.quantum-espresso.org에 제공된 매뉴얼을 참고하십시오.

Quantum Espresso란?
Quantum Espresso는 nanoscale에서 전자 구조 계산 및 재료 모델링을 위한 Open Source Computer 코드의 통합 제품군입니다. Quantum Espresso는 밀도 범함수 이론 (Density functional theory, DFT), 평면파 (Plane-wave) 및 의사 전위 (Pseudopotential)를 기반으로 파동 함수 계산을 수행합니다.

Integrated suite. Quantum Espresso 제품군은 관련 패키지의 확장가능 배포판입니다. DFT 전자 구조 계산을 위한 두 가지 핵심 패키지인 PWscf (Plane Wave Self-consistent Field)와 CP (Car-Parrinello Molecular Dynamics)는 특수 애플리케이션뿐만 아니라 플러그인을 위한 다양한 패키지로 보완됩니다. 모든 패키지에 대한 설명은 Quantum Espresso official user guide를 참고하십시오.
Open-source. Quantum Espresso는 open-source software로, 모든 사용자가 소스 코드에 접근할 수 있으며 이를 통해 연구, 확장, 수정하며 지속적으로 발전해나가고 있습니다.
Density functional theory. 전자 구조 계산과 재료 모델링을 위한 Quantum Espresso algorithm은 density functional theory (DFT) 기반으로, Kohn-Sham equations의 해를 얻기 위해 iterative self-consistent method를 사용합니다.
Plane waves (PW). 컴퓨터로 재료 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 basis set에서 파동함수나 전자밀도와 같은 함수를 확장해야 합니다. Quantum Espresso는 Bloch's theorem에 따라 plane wave basis set을 사용합니다. 계산에 요구되는 한정된 수의 확장 계수는 에너지 컷오프 (E _cut(wfc), E _cut(rho))에 의해 달성될 수 있습니다.
Pseudopotentials (PP). Pseudopotential은 보다 적은 plane wave를 사용하면서도 결과에 큰 영향을 주지 않도록 wavefunction을 'smooth' 하게 만듭니다. Quantum Espresso는 norm-conserving, ultrasoft, PAW 등 다양한 방식의 pseudopotential을 지원하고 있습니다. 계산하고자 하는 system에 대해 어떤 pseudopotential을 선택할 것인지는 많은 고민이 필요합니다. Quantum Espresso documentation 을 참고하십시오.

Quantum Espresso는 주로 Fortran-90을 사용하여 개발되었습니다. 이 코드는 parallel computing을 적용할 수 있습니다.

Quantum Espresso로 어떤 것을 할 수 있나요?
Quantum Espresso는 바닥 상태 에너지 계산 및 구조 최적화, 분자동역학 (Molecular dynamics)에 이르기까지 다양한 응용 분야를 보유하고 있으며 response 및 분광학적 특성을 모델링할 수 있습니다. 또한, DFT 기반으로 모든 결정 구조, supercell 등 주기성이 있는 모든 시스템에 대해 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.
Quantum Espresso는 절연체, 반도체 및 금속의 시뮬레이션에 적용할 수 있도록 k-point 샘플링과 energy states의 smearing에 대한 다양한 옵션을 제공합니다. 계산 속도를 높이기 위해 Quantum Espresso는 다양한 ‘Pseudopotential’ 및 ‘Approximate exchange-correlation functional’ 기법을 도입하였습니다. 더 자세한 정보는 Quantum Espresso website 에서 확인하십시오.

Quantum Espresso input
Quantum Espresso input script는 계산하고자 하는 계의 모든 정보와, 계산 처리 (calculation process)에 대한 정보를 담고 있습니다. 이 정보는 'namelist' 와 'input_cards' 로 구성됩니다. 일반적인 input script의 구조는 다음 그림과 같습니다.

Quantum Espresso code는 특정 형식으로 쓰여진 변수 (input variable)들의 집합입니다. 변수는 real, integer, character (string) 형식일 수 있으며 다음과 같은 형식으로 쓰여야 합니다. 만일 input script에 정의되지 않은 input parameter가 있다면 해당 parameter는 기본 값으로 지정됩니다. Quantum Espresso pw.x description에서 Basic (pw.x) 계산에 사용하는 모든 input variable 목록을 볼 수 있습니다.

Namelists
다음 세 namelist는 PWscf package에 필수적입니다.

&CONTROL 계산 과정을 제어하거나 I/O의 양을 조정할 수 있는 변수들의 집합입니다. calculation type, information amount (verbosity), directory 등이 있습니다.
&SYSTEM 계산 시스템을 결정하기 위한 변수들입니다. number of atoms, bravais lattice index, cutoff energies, smearing methods 등을 설정할 수 있습니다.
&ELECTRONS Kohn-Sham equations의 self-consistent solution을 얻기 위한 알고리즘을 조정합니다. self-consistency에서의 convergence threshold나 mixing beta 등이 있습니다.

위의 필수 namelist에 더하여, 어떤 계산 타입은 다음과 같은 namelist가 필요할 수도 있습니다.

&IONS 계산 과정 중 원자 위치의 이동이 일어나는 것을 고려하려면, 원자의 움직임을 제어하기 위해 이 namelist가 필수적으로 포함되어 있어야 합니다. 원자 위치 변화는 molecular dynamics나 structural relaxation 계산에서 발생합니다.
&CELL &IONS와 비슷하게, 이 namelist는 변화하는 cell dimensions에 대한 정보를 포함합니다.

Quantum Espresso는 순서에 맞추어 namelist를 읽어들이지만, namelist 안의 키워드 (variables, keywords, tags ...)의 순서는 정해져 있지 않습니다. 또한, 만일 해당 계산에 불필요한 namelist가 존재할 경우 (예를 들어 scf 계산에서의 &CELL namelist) 해당 namelist는 무시됩니다.

Input_cards
namelist 형식으로 작성하기 어려운 원자 좌표 등의 정보는 input_card 형식으로 작성하게 됩니다. 다음 세 가지 input_card는 필수적으로 기입해야 하는 항목입니다.

ATOMIC_SPECIES 계산 모델에 포함된 atomic species의 name, mass, PP 정보를 적은 리스트입니다.
ATOMIC_POSITIONS 계산 모델에 포함된 모든 원자들의 이름과 좌표입니다.
K_POINTS k-point grid 및 shift 정보로, 각 축 방향으로 sampling할 k-point의 수를 결정합니다.

CELL_PARAMETERS와 OCCUPATIONS Input card는 정해진 위치는 없지만, input card에 쓰여진 데이터는 특정한 형식을 따라야 합니다. 다음 그림은 graphene unit cell model에 대한 input script의 일부입니다. input_card에 대해 더 많은 정보를 얻으려면 PWscf input description 을 참고하십시오.

Helpful links
Quantum Espresso에 대해 더 많은 정보를 얻으려면, 다음 링크를 참고하십시오.

Quantum Espresso input 알아보기

PWscf (pw.x)

&CONTROL

Parameter	Value		Description
Calculation type	scf		고정된 원자 위치 및 셀 크기로 self-consistent field 계산을 수행합니다. &IONS, &CELL namelist는 계산 진행 시 자동으로 무시됩니다. Total energy, forces, stress를 계산하기 위해 iterative solution process가 진행됩니다.
	relax		셀 부피를 고정하고 원자의 위치를 이동시켜 가며 최소 에너지를 찾습니다 (구조 최적화). Geometric optimization step과 iterative self-consistent field 계산이 진행됩니다.
	vc-relax		원자 위치와 셀 부피에 대해 최적화를 진행합니다. 최적화 이후 cell의 모양 (angles, lattice constants)이 바뀔 수 있습니다. Geometric optimization step과 iterative self-consistent field 계산이 진행됩니다.
	(vc-)md		DFT를 이용하여 ab-initio molecular dynamics (AIMD) 계산을 수행합니다.
	restart	nscf	non-scf calculation을 수행합니다. atomic orbital의 superposition에 대해 단일 step 계산을 수행하게 됩니다. scf 계산과는 다르게 unoccupied electorn state도 고려합니다. 따라서 DOS 등 많은 k-point sampling이 필요한 계산에 대해 경제적인 선택입니다.
	restart	bands	주어진 k-point set에 대한 Kohn-Sham states만 계산합니다.
Max scf steps	수렴에 이를 때까지 scf 알고리즘을 최대 몇 번 수행할 것인지 정합니다. (scf는 무조건 1로 고정됨)
Information amount	low		Default
Information amount	high		job.stdout 파일에 k-point에 대한 자세한 정보 또는 character table 정보가 추가됩니다.
Force threshold	Ionic minimization에 대한 힘 (force)의 수렴 한계점입니다. 모든 요소에 대한 모든 힘은 이 값보다 작아야 합니다. (3.8E-4 Ry/Bohr = 0.01 eV/Å )
Time step	AIMD 시뮬레이션에서의 time step을 설정합니다. (atomic unit, 1 a.u. = 4.8378*10^-17 s)

&SYSTEM

Parameter	Value	Description
occupations	smearing	전자가 valence band를 약간 넘어선 상태까지 점유할 것이라고 가정하고 occupation number에 gaussian smearing을 수행합니다. (금속에 적합)
	fixed	구조를 절연체라 가정하고, smearing 없이 계산을 수행합니다.
	tetrahedra	Tetrahedron 방법 (P.E. Bloechl, PRB 49, 16223 (1994))을 사용하여 계산을 수행합니다. DOS 계산에 적합하며, Monkhorst's pack (automatic) k-point를 사용해야 합니다.
Ecut(wfc)	Wavefunction에 대한 kinetic energy cutoff를 지정합니다.
Ecut(rho)	Charge density와 potential에 대한 kinetic energy cutoff를 지정합니다. 기본적으로 ecutrho = 4*ecutwfc여야 하지만 norm-conserving potentials, ultrasoft pseudopotentials에 대해서는 ecutwfc 값의 8~12배를 사용하는 것이 좋습니다.
Gaussian broadeing	Brillouin zone에서 gaussian spreading을 해 주기 위한 값입니다. (0.002 Ry = 27E-3eV = 약 300 K에서의 결과와 같이 broadening)
Number of electron spin	1 (all up)	spin polarization을 고려하지 않고, 모든 electron state의 점유 (occupation)를 1.0으로 간주하여 계산합니다.
	2 (up, down)	spin polarization을 고려하여 계산합니다. nspin=1에 비해 계산량이 두 배가 됩니다.
	Van der Waals correction	Layered structure와 같이 Van der Waals 힘에 크게 영향을 받는 모델의 데이터를 보정하기 위해 사용합니다.
grimme-d2 (DFT-D)		Semiempirical Grimme's DFT-D2 방법으로 correction합니다. (S. Grimme, J. Comp. Chem. 27, 1787 (2006), V. Barone et al., J. Comp. Chem. 30, 934 (2009))
grimme-d3 (DFT-D3)		Semiempirical Grimme's DFT-D3 방법으로 correction합니다. (S. Grimme et al, J. Chem. Phys 132, 154104 (2010))
tkatchenko-scheffler		제일원리에 의해 유도된 C6 coefficient로 Tkatchenko-Scheffler dispersion correction을 수행합니다. (A. Tkatchenko and M. Scheffler, PRL 102, 073005 (2009))
XDM		Exchange-hole dipole-moment model을 이용해 correction합니다. (A. D. Becke et al., J. Chem. Phys. 127, 154108 (2007), A. Otero de la Roza et al., J. Chem. Phys. 136, 174109 (2012))
Hubbard_U	해당 원소에 대해 U parameter를 보정해 줍니다.

&ELECTRONS

Parameter	Value	Description
Max iteration step	scf 한 step 안에서 수렴이 완료될 때까지 진행되는 iteration steps의 최댓값을 정합니다. 수렴이 잘 되지 않는 구조의 경우 이 값을 늘리는 것이 좋습니다.
Mixing beta	scf 알고리즘에서, 이전 step에서 얻어진 결과 전자밀도와 초기 전자밀도를 혼합하는 비율입니다. 수렴이 잘 되지 않는 경우 이 값을 줄이는 것이 좋습니다.
Convergence threshold	수렴 한계를 정하는 값으로, scf step 전후 에너지 차이의 한곗값입니다.
Mixing mode	plain	Charge density Broyden mixing
	TF	간단한 Thomas-Fermi screening을 추가합니다. (매우 균질한 시스템에 적용)
	local-TF	local density에 의존하여 TF screening을 합니다. (매우 균질한 시스템에 적용)
Starting wavefunction	atomic	atomic orbital의 중첩으로 wavefunction 계산을 시작합니다. 보통은 계산이 문제없이 잘 실행되나, 일부 실패하는 경우가 존재합니다.
	atomic+random	atomic orbital의 중첩에 더하여, random wavefunciton을 고려해 줍니다.
	random	무작위로 정해진 wavefunction으로 계산을 시작합니다. 계산이 다소 느릴 수 있으나 안정적으로 계산할 수 있습니다.

&IONS

Parameter	Value		Description
Ion dynamics	Structural Relaxation 시 어떤 알고리즘을 사용하여 원자 이동을 고려할 것인지 선택합니다.
	relax	bfgs	BFGS quasi-newton algorithm을 사용하여 structural relaxation을 수행합니다. (Default)
	relax	damp	damped (quick-min Verlet) dynamics를 사용하여 structural relaxation을 수행합니다.
	vc-relax	bfgs	BFGS quasi-newton algorithm. cell_dynamics도 bfgs로 설정해야 합니다.
	vc-relax	damp	damped (Beeman) dynamics를 사용하여 structural relaxation을 수행합니다.
	md	verlet	Verlet algorithm을 사용하여 Newton 방정식을 적분합니다. (Default)
		langevin	ion dynamics is over-damped Langevin
		langevin-smc	over-damped Langevin with Smart Monte Carlo. (R.J. Rossky, JCP, 69, 4628 (1978))
	vc-md	beeman	Beeman algorithm을 사용하여 Newton 방정식을 적분합니다. (Default)
upscale	구조 optimization 중 거의 수렴했을 때 정확도를 높이기 위해 conv_thr를 conv_thr/upscale만큼 줄여 줍니다. (bfgs 옵션에서만 사용)
Ion temperature	(vc-)md	not_controlled	Ionic temperature를 조정하지 않습니다. (Default)
	(vc-)md	rescaling	Velocity rescaling (first method)을 통해 ionic temperature를 조정합니다.
	md	rescale-v	Velocity rescaling (second method)을 통해 ionic temperature를 조정합니다.
		rescale-T	Velocity rescaling (third method)을 통해 ionic temperature를 조정합니다.
		reduce-T	매 nraise step 당 ionic temperature를 ΔT만큼 감소시킵니다.
		berendsen	ionic temperature를 "soft" velocity rescaling 방법으로 조정합니다.
		andersen	Ionic temperature를 Andersen thermostat 방식으로 조정합니다.
		initial	Ion temperature를 Starting temperature로 초기화하고 더 이상 제어하지 않습니다.
Starting temperature (K)	MD 시뮬레이션의 시작 온도
ΔT	Ion temperature = 'rescale-T': 각 단계에서 순간 온도에 ΔT 값을 곱합니다. Ion temperature = 'reduce-T': 매 nraise step마다 순간 온도가 ΔT만큼 감소합니다.
nraise	순간 온도의 재조정 간격을 결정합니다. (https://www.quantum-espresso.org/Doc/INPUT_PW.html#idm938)

&CELL

Parameter	Value	Description
Cell dynamics	Variable cell relaxation 시 어떤 알고리즘을 사용하여 셀 크기를 조정할 것인지 선택합니다.
	bfgs	BFGS quasi-newton algorithm, ion_dynamics도 bfgs로 설정해야 합니다.
	none	no dynamics
	sd	steepest descent ( not implemented )
	damp-pr	damped (Beeman) dynamics of the Parrinello-Rahman extended lagrangian
	damp-w	damped (Beeman) dynamics of the new Wentzcovitch extended lagrangian
Cell factor	cell 크기의 최대 변형비율을 말합니다.
Press threshold	cell에 가해지는 압력에 대한 convergence threshold를 말합니다. (Kbar)

KPOINTS

Parameter	Value	Description
Sampling	Monkhorst-Pack	Monkhorst's Pack 방식으로 k-point를 샘플링하는 옵션입니다. 역격자 공간 (Brillouin 영역)을 설정한 grid만큼의 균등한 간격으로 나누고 격자점에 해당하는 k-point를 샘플링합니다.
	Gamma point	k-point를 1개만 샘플링한다는 점에서 automatic 1 1 1 (shift 0 0 0)과 비슷하지만, k point를 복소수로 고려하지 않고 실수로 인식한다는 차이가 있습니다. 계산 속도에 이점이 있습니다.
	High symmetry point	k-point를 역격자 벡터 (reciprocal lattice vector)에 대해 상대 좌표 (relative coordinates)로 지정합니다.
Monkhorst-Pack	grid	k-point를 얼마나 조밀한 간격으로 샘플링할 것인지 결정합니다. Precision: High일 경우, cell parameter * grid = 30이 되도록 설정됩니다. Data to get: DOS, Precision: High일 경우, cell parameter * grid = 60이 되도록 설정됩니다.
Monkhorst-Pack	shift	원점을 기준으로 k-point grid를 이동합니다. Supercell의 대칭에 따라, grid를 이동하면 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.
High symmetry point	Crystal system	High-symmetric point를 샘플링할 결정계를 지정하십시오. 사용한 계산 모델과 동일한 crystal system으로 설정하는 것이 좋습니다.
	Number of k-points	세 개의 격자 벡터 방향에서 각각 k-point 수를 결정합니다.
	High symmetry points	데이터의 마지막 열은 해당 crystal coordinate부터 다음 지점까지 sampling할 k-point의 숫자를 의미합니다.

Post-processing solvers

projwfc.x

Option	Description
ngauss	Gaussian broadening을 수행할 방법을 결정하십시오.
degauss	Gaussian Broadening을 얼마나 수행할 것인지 결정합니다. 단위는 eV가 아닌 Ry임에 주의하십시오.
DeltaE	Energy grid 간격 (eV)을 지정합니다.
Emin	DOS plot의 에너지 최솟값 (eV)
Emax	DOS plot의 에너지 최댓값 (eV)

bands.x

Option	Description
spin_component	Band structure plot에 고려할 전자 종류를 지정합니다. 이때 Spin-down 옵션은 Spin polarization 계산을 수행했을 때만 선택할 수 있습니다.
lsym	.TRUE. 옵션일 때, band들은 k-point의 대칭성을 고려한 기약 표현에 따라 분류됩니다.

pp.x

Section	Option	Description
&INPUTPP	Data to plot	pp.x 계산을 통해 얻을 결과 데이터의 종류를 결정합니다. 자세한 내용은 다음 링크를 참조하십시오. https://www.quantum-espresso.org/Doc/INPUT_PP.html#idm24
Planar/Macroscopic Average	The number of points	해당 계산을 수행했을 때 얻어지는 결과 그래프의 데이터 밀도를 결정합니다.
Planar/Macroscopic Average	The size of the window	Slab의 개수를 결정하십시오.

epsilon.x

Section	Option	Value	Description
&INPUTPP	calculation	eps	RPA (Random phase approximation) 수준에서 local field effect를 무시하고 복잡한 거시적 유전 함수 (macroscopic dielectric function)를 계산합니다. eps는 실수 및 허수 축이 모두 계산됩니다.
&INPUTPP	calculation	jdos	Optical joint density of states 계산을 수행합니다.
&ENERGY_GRID	Broadening	Gaussian	Gaussian broadening을 적용합니다.
	Broadening	Lorentzian	Lorentzian 방식으로 broadening을 적용합니다.
	Inter-band Broadening (eV)		Brodening parameter를 결정합니다.
	Intra-band Broadening (eV)		Brodening parameter를 결정합니다.
	Frequency Range (eV)		계산이 수행될 진동수 범위를 지정합니다.
	Frequency Mesh		데이터포인트 개수를 지정합니다.
	Optional Rigid Shift		Transition energy 계산 시 지정된 shift 값을 더합니다.

Functional List
Quantum Espresso 모듈에서 사용할 수 있는 functional의 전체 목록입니다. 입력 필드에 'Short name'을 적으십시오.

Short name	Complete name	Short description	References
pz	sla+pz	Perdew-Zunger LDA	J.P.Perdew and A.Zunger, PRB 23, 5048 (1981)
bp	b88+p86	Becke-Perdew grad.corr.
pw91	sla+pw+ggx+ggc	PW91 (aka GGA)	J.P.Perdew and Y. Wang, PRB 46, 6671 (1992)
blyp	sla+b88+lyp+blyp	BLYP	C.Lee, W.Yang, R.G.Parr, PRB 37, 785 (1988)
pbe	sla+pw+pbx+pbc	PBE	J.P.Perdew, K.Burke, M.Ernzerhof, PRL 77, 3865 (1996)
revpbe	sla+pw+rpb+pbc	revPBE (Zhang-Yang)	Zhang and Yang, PRL 80, 890 (1998)
pw86pbe	sla+pw+pw86+pbc	PW86 exchange + PBE correlation
b86bpbe	sla+pw+b86b+pbc	B86b exchange + PBE correlation
pbesol	sla+pw+psx+psc	PBEsol	J.P. Perdew et al., PRL 100, 136406 (2008)
q2d	sla+pw+q2dx+q2dc	PBEQ2D	L. Chiodo et al., PRL 108, 126402 (2012)
hcth	nox+noc+hcth+hcth	HCTH/120	Handy et al, JCP 109, 6264 (1998)
olyp	nox+lyp+optx+blyp	OLYP	Handy et al, JCP 116, 5411 (2002)
wc	sla+pw+wcx+pbc	Wu-Cohen	Z. Wu and R. E. Cohen, PRB 73, 235116 (2006)
sogga	sla+pw+sox+pbec	SOGGA	Y. Zhao and D. G. Truhlar, JCP 128, 184109 (2008)
optbk88	sla+pw+obk8+p86	optB88
optb86b	sla+pw+ob86+p86	optB86
ev93	sla+pw+evx+nogc	Engel-Vosko	Engel-Vosko, Phys. Rev. B 47, 13164 (1993)
tpss	sla+pw+tpss+tpss	TPSS Meta-GGA	J.Tao, J.P.Perdew, V.N.Staroverov, G.E. Scuseria, PRL 91, 146401 (2003)
m06l	nox+noc+m6lx+m6lc	M06L Meta-GGA	Y. Zhao and D. G. Truhlar, JCP 125, 194101 (2006)
tb09	sla+pw+tb09+tb09	TB09 Meta-GGA	F Tran and P Blaha, Phys.Rev.Lett. 102, 226401 (2009)
pbe0	pb0x+pw+pb0x+pbc	PBE0	J.P.Perdew, M. Ernzerhof, K.Burke, JCP 105, 9982 (1996)
b86bx	pb0x+pw+b86x+pbc	B86bPBE hybrid
bhahlyp	pb0x+pw+b88x+blyp	Becke half-and-half LYP
hse	sla+pw+hse+pbc	Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE 06, see note below)	Heyd, Scuseria, Ernzerhof, J. Chem. Phys. 118, 8207 (2003); Heyd, Scuseria, Ernzerhof, J. Chem. Phys. 124, 219906 (2006).
b3lyp	b3lp+b3lp+b3lp+b3lp	B3LYP	P.J. Stephens,F.J. Devlin,C.F. Chabalowski,M.J. Frisch, J.Phys.Chem 98, 11623 (1994)
b3lypv1r	b3lp+b3lpv1r+b3lp+b3lp	B3LYP-VWN1-RPA
x3lyp	x3lp+x3lp+x3lp+x3lp	X3LYP	X. Xu, W.A Goddard III, PNAS 101, 2673 (2004)
vwn-rpa	sla+vwn-rpa	VWN LDA using vwn1-rpa parametriz
gaupbe	sla+pw+gaup+pbc	Gau-PBE (also "gaup")
vdw-df	sla+pw+rpb +vdw1	vdW-DF1	M. Dion et al., PRL 92, 246401 (2004); T. Thonhauser et al., PRL 115, 136402 (2015)
vdw-df2	sla+pw+rw86+vdw2	vdW-DF2	Lee et al., Phys. Rev. B 82, 081101 (2010)
vdw-df-c09	sla+pw+c09x+vdw1	vdW-DF-C09
vdw-df2-c09	sla+pw+c09x+vdw2	vdW-DF2-C09
vdw-df-obk8	sla+pw+obk8+vdw1	vdW-DF-obk8 (optB88-vdW)	Klimes et al, J. Phys. Cond. Matter, 22, 022201 (2010)
vdw-df-ob86	sla+pw+ob86+vdw1	vdW-DF-ob86 (optB86b-vdW)	Klimes et al, Phys. Rev. B, 83, 195131 (2011)
vdw-df2-b86r	sla+pw+b86r+vdw2	vdW-DF2-B86R (rev-vdw-df2)
vdw-df-cx	sla+pw+cx13+vdW1	vdW-DF-cx	K. Berland and P. Hyldgaard, PRB 89, 035412 (2014)
vdw-df-cx0	sla+pw+cx13+vdW1+HF/4	vdW-DF-cx-0	K. Berland, Y. Jiao, J.-H. Lee, T. Rangel, J. B. Neaton and P. Hyldgaard, J. Chem. Phys. 146, 234106 (2017)
vdw-df2-0	sla+pw+rw86+vdw2+HF/4	vdW-DF2-0
vdw-df2-br0	sla+pw+b86r+vdW2+HF/4	vdW-DF2-b86r-0
vdw-df-c090	sla+pw+c09x+vdw1+HF/4	vdW-DF-C09-0
vdw-df-x	sla+pw+????+vdwx	vdW-DF-x, reserved Thonhauser, not implemented
vdw-df-y	sla+pw+????+vdwy	vdW-DF-y, reserved Thonhauser, not implemented
vdw-df-z	sla+pw+????+vdwz	vdW-DF-z, reserved Thonhauser, not implemented
rvv10	sla+pw+rw86+pbc+vv10	rVV10	R. Sabatini et al. Phys. Rev. B 87, 041108(R) (2013)

SIESTA
소재 시뮬레이션을 수행하기 위해 Materials Square에서 사용할 수 있는 제일원리계산 코드인 SIESTA 에 대해 간략하게 소개합니다. SIESTA의 작동 원리와 가능한 역할에 대해 자세히 이해하려면 https://siesta-project.org/siesta/를 참고하십시오.
SIESTA는 분자와 고체의 전자 구조 계산과 분자 역학 시뮬레이션을 실행할 수 있는 프로그램으로, 4.0 버전 이상의 SIESTA는 GPL 오픈 소스 라이선스 조건에 따라 출시되었습니다.

SIESTA는 Materials Square 의 Quantum Espresso 모듈과 동일한 DFT 기반 계산 모듈이지만 크게 다른 점이 2가지 있습니다.

SIESTA는 평면파(Plan-Wave, PW)만을 사용하는 Quantum Espresso 와는 다르게 평면파와 원자 기저함수(Basis set)를 사용하여 전자 상태를 표현합니다. 전자 파동 함수를 특정 원자 오비탈의 선형 결합 (linear combination of atomic orbitals, LCAO) 으로 표현하고 이렇게 결합된 기저함수는 평면파를 사용하여 전체 공간을 표현합니다.
SIESTA는 슈퍼셀 기법( 큰 시스템을 작은 셀로 나누어 계산하는 방법)을 사용하여 계산하기 때문에 대규모 시스템 계산이 가능합니다.

SIESTA input 알아보기

Control

Parameter	Value	Description	Note
Calculation Type default = SCF	전체적인 계산 타입을 선택합니다.
	SCF	셀의 크기 및 원자 위치를 고정시킨 상태로 전자 구조 계산을 수행합니다.
	Relax	셀의 크기를 고정하고 원자의 위치를 이동시켜 구조 최적화를 진행하는 계산을 수행합니다.
	VC-relax	셀의 크기를 변화시키고 원자의 위치를 움직여가며 구조 최적화를 진행합니다.
	Phonon	원자 간의 진동 모드계산인 포논 계산을 수행합니다.
	MD	Ab-Initio molecular dynamics (AIMD) 계산을 수행합니다.
MD Type default = NVE	원하는 AIMD 계산 타입을 선택합니다.		Calculation Type=MD 선택 시 활성화
	NVE (Verlet)	Verlet 알고리즘의 AIMD 시뮬레이션을 수행합니다.
	NVT (Nose)	Nosé thermostat 알고리즘의 AIMD 시뮬레이션을 수행합니다.
	NPE (PR)	압력을 제어하는 알고리즘인 Parrinello-Rahman method AIMD시뮬레이션을 수행합니다.
	NPT (Nose-PR)	Nosé 알고리즘으로 온도를 제어하고 Parrinello-Rahman 방법으로 압력을 제어하는 AIMD를 수행합니다.
	Anneal-Temp.	원하는 온도로 어닐링하는 AIMD를 수행합니다. 속도 조정을 통해 목표 온도에 도달합니다.
	Anneal-Pressure	원하는 압력으로 어닐링하는 AIMD를 수행합니다. 셀 크기 및 형태를 조정하여 목표 압력에 도달합니다.
	Anneal-Temp. & Pressure	원하는 온도와 압력으로 어닐링하는 AIMD를 수행합니다. 속도, 셀 크기와 형태의 조정을 통해 목표 온도와 압력에 도달합니다.
Max. optimization steps default = 500		구조 최적화 cycle 의 최대 step 수를 설정합니다. 최대 step수 전에 "Force Tolerance" 값에 도달하면 구조 최적화 계산을 마칩니다.	Calculation Type = VC-relax 또는 relax 선택 시 활성화
Force Tolerance (eV/Ang) default = 0.001		구조 최적화를 위한 힘의 수렴 한계점을 설정합니다. 최대 원자간 힘이 이 값보다 작으면 계산을 마칩니다.	Calculation Type = VC-relax 또는 relax 선택 시 활성화
Stress Tolerance (GPa) default = 0.01		셀의 크기 최적화 계산(vc-relax)에서의 stress tolerance 값을 설정합니다. 최대 원자간 힘이 "Force Tolerance"보다 작고 최대 stress성분 값이 "Stress Tolerance" 값보다 작으면 계산을 마칩니다.	Calculation Type = VC-relax 선택 시 활성화
External E Field default = OFF		계산 시 외부 전기장을 지정해줍니다. 이 옵션은 molecule, chain, 또는 slab에 대한 계산에서만 수행됩니다. 전기장의 방향은 bulk 방향에 수직이 되도록 설정되어야 합니다. (유전체나 강유전체 같은 bulk 구조의 전기장 설정은 불가능합니다.)
Dipole Correction default = OFF		시스템의 dipole을 보정해줍니다. 이 보정은 charged system(Netcharge $(\neq)$ 0) 에서는 사용이 불가능합니다. 보정식은 아래와 같습니다. $(D = -e\int(r-r_{0})\delta\rho(r))$ 여기서 $(r_{0})$는 dipole의 원점이며, $(\delta\rho(r))$는 valence pseudocharge density와 the atomic valence pseudocharge density의 차이입니다.
Supercell Size default = 1,1,1		포논 계산을 위해, 각 방향으로 $(\pm n)$ 만큼 확장하여 supercell을 만들어줍니다. 예를 들어, x, y, z값을 2,2,1으로 설정하면 포논 계산 시, 전체 cell size는 5$(\times)$5$(\times)$1 이 됩니다.	Calculation Type=Phonon 선택 시 활성화
Displacement (Bohr) default = 0.04		포논 계산을 위한 힘 상수 계산에 사용될 길이 값을 설정해줍니다.	Calculation Type=Phonon 선택 시 활성화

System

Parameter	Value	Description	Note
Functional type default = GGA	Exchange-correlation functional type을 선택합니다.
	LDA	Local Density Approximation (LDA) 계산을 수행합니다. Potential File이 LDA type으로 설정되어있어야 합니다.
	GGA	Generalized Gradient Approximation (GGA) 계산을 수행합니다. Potential File이 GGA type으로 설정되어있어야 합니다.
	VDW	van der Waals 계산을 수행합니다. Potential File은 사용자가 직접 설정해주어야 합니다.
Authors default = PBE	Exchange-correlation functional의 parameter를 선택합니다.
	CA	(= PZ): (Spin) local density approximation (LDA/LSD). Quantum Monte Carlo calculation of the homogeneous electron gas by D. M. Ceperley and B. J. Alder, Phys. Rev. Lett. 45,566 (1980), as parametrized by J. P. Perdew and A. Zunger, Phys. Rev B 23, 5075 (1981)	Functional Type=LDA 선택 시 활성화
	PW92	LDA/LSD, as parametrized by J. P. Perdew and Y. Wang, Phys. Rev B 45, 13244 (1992)	Functional Type=LDA 선택 시 활성화
	PW91	Generalized gradients approximation (GGA) of Perdew and Wang. Ref: P&W, J. Chem. Phys. 100, 1290 (1994)	Functional Type=GGA 선택 시 활성화
	PBE	GGA of J. P. Perdew, K. Burke and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996)	Functional Type=GGA 선택 시 활성화
	revPBE	Modified GGA-PBE functional of Y. Zhang and W. Yang, Phys. Rev. Lett. 80, 890 (1998)	Functional Type=GGA 선택 시 활성화
	RPBE	Modified GGA-PBE functional of B. Hammer, L. B. Hansen and J. K. Norskov Phys. Rev. B 59, 7413 (1999)	Functional Type=GGA 선택 시 활성화
	PBEsol	Modified GGA-PBE functional of J. P. Perdew et al, Phys. Rev. Lett. 100, 136406 (2008)	Functional Type=GGA 선택 시 활성화
	BLYP	(=LYP) GGA with Becke exchange (A. D. Becke, Phys. Rev. A 38, 3098 (1988)) and Lee-Yang-Parr correlation (C. Lee, W. Yang, R. G. Parr, Phys. Rev. B 37, 785 (1988)), as modified by B. Miehlich, A. Savin, H. Stoll, and H. Preuss, Chem. Phys. Lett. 157, 200 (1989).	Functional Type=GGA 선택 시 활성화
	DRSLL	(=DF1) van der Waals density functional (vdW-DF) of M. Dion, H. Rydberg, E. Schröder, D. C. Langreth, and B. I. Lundqvist, Phys. Rev. Lett. 92, 246401 (2004), with the efficient implementation of G. Román-Pérez and J. M. Soler, Phys. Rev. Lett. 103, 096102 (2009)	Functional Type=VDW 선택 시 활성화
	LMKLL	(=DF2) vdW-DF functional of Dion et al (same as DRSLL) reparametrized by K. Lee, E. Murray, L. Kong, B. I. Lundqvist and D. C. Langreth, Phys. Rev. B 82, 081101 (2010)	Functional Type=VDW 선택 시 활성화
	KBM	dW-DF functional of Dion et al (same as DRSLL) with exchange modified by J. Klimes, D. R. Bowler, and A. Michaelides, J. Phys.: Condens. Matter 22, 022201 (2010) (optB88-vdW version)	Functional Type=VDW 선택 시 활성화
	BH	vdW-DF functional of Dion et al (same as DRSLL) with exchange modified by K. Berland and P. Hyldgaard, Phys. Rev. B 89, 035412 (2014)	Functional Type=VDW 선택 시 활성화
	VV	vdW-DF functional of O. A. Vydrov and T. Van Voorhis, J. Chem. Phys. 133, 244103 (2010)	Functional Type=VDW 선택 시 활성화
Basis Size default = DZP	계산에 사용할 basis set 을 선택합니다.
	SZ	원자의 basis로 Single zeta basis 를 사용합니다.
	DZ	원자의 basis로 Double zeta basis 를 사용합니다.
	SZP	원자의 basis로 Single zeta + polarization basis 를 사용합니다.
	DZP	원자의 basis로 Double zeta + polarization basis 를 사용합니다.
Energy Shift (Ry) default = 0.02		첫번째 zeta PAO의 제한 반경에 대한 값을 설정합니다.
Spin-polarization default = non-polarized	계산에 사용할 spin 요소를 선택합니다.
	non-polarized	Nonspin 계산을 수행합니다. (spin 구성 요소 1개)
	polarized	Spin polarization 을 고려한 계산을 수행합니다. (spin 구성 요소 2개: up spin, down spin)
	non-collinear	Non-colinear 의 스핀 구성 요소에 대한 계산을 수행합니다. (구성 요소 4개: spin up, spin down, theta, pi). 이 계산은 manual mode에서 spin 구성 요소를 입력해주어야 합니다.
	spin-orbit	스핀-궤도 결합으로 계산을 수행합니다. 이를 위해서는 pseudopotential은 relativistic 이어야 합니다.	Relativistic pseudopotentials 사용 필수
Net Charge (e) default = 0		시스템의 net charge를 지정하여 줍니다. 예를 들어 $(F^{-})$ ion인 경우에는 -1을, $(Na^{+})$ ion인 경우에는 1을 설정합니다.
Spin Fix default = False		시스템의 spin 값 고정 여부를 선택합니다.	Spin-polarization=polarized 선택 시 활성화
Total Spin default = 0		시스템의 전체 spin polarization 값을 지정하여 줍니다. (전자 스핀 단위, 1/2)	Spin Fix=True 선택 시 활성화
Spin Option default = False		Spin polarization 계산 시, 원자마다 초기 spin 값을 정의합니다. Spin up의 경우에는 +, spin down의 경우에는 -로 설정합니다.

Electrons

Parameter	Description	Note
SCF Must Converge default = TRUE	설정한 최대 SCF 반복수만큼 진행해도 수렴하지 못한 경우, 계산을 중지하는 옵션입니다.
Mesh Cutoff (Ry) default = 300	평면파 전자밀도의 cutoff 값을 설정합니다.
Max. SCF Iterations default = 1000	최대 SCF 반복 수를 설정합니다.
SCF DM Tolerance default = 0.00001	Density Matrix의 허용 오차값을 설정합니다. SCF 주기에서 DM의 각 요소에 대한 출력과 입력 간의 최대 차이가 SCF.DM.Tolerance보다 작을 때 SCF계산이 완료됩니다.
Mixing Weight default = 0.1	SCF 주기에서, 이전 step에서 얻어진 전자밀도와 초기 전자밀도를 혼합하는 비율을 설정합니다.
Mixing History default = 6	다음 SCF 계산에 사용될 이전 SCF 단계 수를 지정해줍니다.
Electronic Temperature (K) default = 300	Fermi-Dirac 또는 Methfessel-Paxton 분포의 온도를 지정하여 줍니다. 특히 금속 시스템을 계산할 때 유용하며 경우에 따라 SCF 계산 수렴을 가속화하는 데 유용합니다.

K-point

Parameter	Description	Note
Grid	Monkhorst's Pack 방식으로 k-point를 sampling 할 간격을 설정합니다. 역격자 공간 (Brillouin 영역)을 설정한 grid만큼의 균등한 간격으로 나누고 격자점에 해당하는 k-point를 샘플링합니다.
Shift default = OFF	원점을 기준으로 k-point grid를 이동하는 옵션입니다. (off: 0.0 0.0 0.0, on: 0.5 0.5 0.5)

MD Calculation

Parameter	Description	Note
Length Time Step (fs) default = 1	AIMD 시뮬레이션에서의 time step길이를 설정합니다.
MD Step default = 100	AIMD 시뮬레이션의 최종 step수를 설정합니다. AIMD의 최종 시간은 Length time step*MD step 이 됩니다.
Initial Temp. (K) default = 300	AIMD 시뮬레이션을 위한 초기온도를 지정합니다. 원자에는 해당 온도와 함께 Maxwell-Boltzmann 분포의 random 속도가 할당됩니다. 제로 질량 중심 속도의 제약이 부과됩니다.
Target Temp. (K) default = 300	AIMD 시뮬레이션에서 목표 온도를 지정합니다. Nose thermostat을 사용한 AIMD 혹은 annealing MD 계산에서 사용합니다.	MD Type=NVT, NPT, Anneal-Temp.,Anneal-Temp.&Pressure 선택 시 활성화
Target Pressure (GPa) default = 1	AIMD 시뮬레이션에서 목표 압력를 지정합니다. 셀 최적화 및 정압 MD 계산에서 사용합니다.	Calculation Type=vc-relax 또는 MD Type=NPE, NPT, Anneal-Pressure, Anneal-Temp.&Pressure 선택 시 활성화
Generalized Mass (Ry fs²) default = 100	AIMD 시뮬레이션 중 Nose 또는 Parrinello-Rahman 계산에서 질량을 지정합니다. 이 값은 Nose 또는 Parrinello-Rahman MD 시간scale과 물리적 시스템과의 결합을 결정합니다.	MD Type=NVT 선택 시 MD.NoseMass 지정, MD Type=NPE 선택 시 MD.ParrinelloRahmanMass 지정됨.
Relaxation Time (fs) default = 100	Annealing MD에서 목표 온도/목표 압력에 도달하기 위한 relaxation 시간을 지정합니다. 이 값은 주어진 목표에 도달하는 데 필요한 대략적인 시간을 제공합니다.	MD Type=Anneal-Temp., Anneal-Pressure, Anneal-Temp.&Pressure 선택 시 활성화
Estimate of Bulk Modulus (Ry/Bohr³) default = 100	시스템의 bulk modulus 추정값을 지정합니다. 이 값은 annealing MD에서 목표 압력에 도달하기 위해 셀 모양의 변화 속도를 설정하는 데 필요합니다.	MD Type=Anneal-Pressure, Anneal-Temp.&Pressure 선택 시 활성화

SIESTA post-processing input 알아보기

Charge Density

Parameter	Value	Description	Note
Charge Density (3D)	Charge Density 및 Potential 파일을 3D 구조로 확인할 수 있는 후처리 옵션입니다.
	Total Charge Density	Total charge density, up/down spin charge density, spin difference density를 3D 구조 파일로 확인할 수 있습니다.
	Local Charge Density	Total charge density, up/down spin charge density, spin difference density를 3D 구조 파일로 확인할 수 있습니다.	LDOS 계산을 진행한 계산과 연결했을 때만 활성화
	Total Electrostatic Potential	Electrostatic potential을 3D 구조로 확인할 수 있습니다.
	Total Potential	Total potential을 3D 구조로 확인할 수 있습니다.
Macroscopic/Planar average (2D)	Charge Density 및 Potential 파일을 2D 구조로 확인할 수 있는 후처리 옵션입니다. Macroscopic average (nanosmoothing) 계산시에는 사용자가 설정된 값으로 data를 출력합니다. 설정된 값은 macroave.in 파일에 작성됩니다.
	Charge Density	Charge density의 macroscopic average and planar average 그래프를 확인할 수 있습니다.
	Electrostatic Potential	Electrostatic potential의 그래프를 확인할 수 있습니다.
	# of convolutions default=1	Macroaverage(nanosmoothing) 계산 시 square filter 함수의 수를 선택합니다. (1 = surfaces, 2= Interfaces and superlattices)
	Length of the first step function (bohr) default=2.96687	Macroaverage(nanosmoothing) 계산 시 사용되는 square filter 함수 첫번째 길이를 설정합니다.
	Length of the second step function (bohr) default=2.96687	Macroaverage(nanosmoothing) 계산 시 사용되는 square filter 함수 두번째 길이를 설정합니다.	# of convolutions=2 인 경우에만 영향을 받는 설정값입니다.
	Total number of electrons default=501	시스템의 전체 전자 수를 설정합니다. 이 값은 Macroscopic average( nanosmoothed) 계산 시 재정규화(renormalization)에만 사용됩니다.	Charge Density 를 2D 구조로 확인할 때만 영향을 받는 설정값입니다.

DOS

Parameter	Description	Note
Minimum Energy (eV) default = -20	PDOS 의 에너지 최솟값을 설정합니다.
Maximum Energy (eV) default = 10	PDOS 의 에너지 최댓값을 설정합니다.
Broadening (eV) default = 0.1	PDOS의 에너지 peak 폭을 설정합니다.
K-point	General 계산과 동일한 Monkhorst's Pack 방식으로 k-point를 sampling 할 간격을 설정하고 grid 이동 여부를 선택합니다. 정확한 분석을 위해 General 계산 시보다 약 2-3배 증가시키는 것을 추천합니다.

LDOS

Parameter	Description	Note
Minimum Energy (eV) default = -0.5	LDOS 의 에너지 최솟값을 설정합니다.
Maximum Energy (eV) default = 0	LDOS 의 에너지 최댓값을 설정합니다.

Band Structure

Parameter	Description	Note
Crystal System default = Cube	High-symmetric point를 샘플링할 결정계를 선택합니다. 사용한 계산 모델과 동일한 crystal system으로 설정하는 것이 좋습니다.
Number of k-points default = 10	격자 벡터 방향으로 각각 K-point 사이의 간격 수를 지정합니다.
High symmetry points	K-point의 path를 직접 설정할 수 있습니다. 각각의 kpoint 를 클릭하면 High symmetry points가 추가 됩니다. Default는 Crystal system 에서 선택한 결정체의 path입니다.
Band Lines	설정된 High-symmetric k point path 및 간격 수를 보여줍니다. 여기서 직접 Band path를 수정할 수도 있습니다.

Optical Property

Parameter	Value	Description	Note
Minimum Energy (eV) default = 0		주파수 스펙트럼을 계산할 에너지 범위의 최솟값을 설정합니다.
Maximum Energy (eV) default = 20		주파수 스펙트럼을 계산할 에너지 범위의 최댓값을 설정합니다.
Broadening (eV) default = 0.5		주파수 스펙트럼에 적용될 Gaussian broadening 값을 설정합니다.
Mesh point default = 4, 4, 2		Brillouin zone에 사용되는 Mesh 크기를 결정합니다.
Polarization Type default = polycrystal	계산에 사용할 편광 유형을 선택합니다.
	polycrystal	기본적인 편광 유형입니다.
	polarized	Optical vector 에서 설정한 방향으로 전기장이 적용됩니다.
	unpolarized	Optical vector 에서 설정한 방향으로 빛이 전파됩니다.
Optical Vector default = 0, 0, 1		전기장이 적용되거나(polarized type) 빛이 전파될 방향(unpolarized type)을 설정합니다.	Polarization Type = polarized 또는 unpolarized 선택 시 활성화

GAMESS
소재 시뮬레이션을 수행하기 위해 Materials Square에서 사용할 수 있는 제일원리계산 코드인 GAMESS에 대해 간략하게 소개합니다. GAMESS의 작동 원리와 가능한 역할에 대해 자세히 이해하려면 https://www.msg.chem.iastate.edu/gamess/를 참고하십시오.

GAMESS
GAMESS는 ab initio 분자양자화학 계산 프로그램입니다. GAMESS는 RHF, ROHF, UHF, GVB 및 MCSCF 범위의 SCF 파동함수를 계산할 수 있습니다. SCF 파동함수에 대한 correlation correction을 위해, Configuration Interaction, second order perturbation theory, Coupled-Cluster approaches와 Density Functional Theory approximation 방법을 사용합니다. 또한, CI, EOM 또는 TD-DFT 를 통해 들뜬 상태를 계산할 수 있습니다. Nuclear gradient를 사용하여 Automatic geometry optimization, transition sate search, reaction path following 계산을 수행할 수 있습니다. Energy hessian을 계산하여 IR Intensity, Raman activity를 예측할 수 있습니다. Effective Fragment potentials 또는 Polarizable Continuum Model과 같은 연속체 모델을 통해 용매 효과를 적용할 수 있습니다. 다양한 스핀-궤도 커플링 옵션과 함께 무한 차수 2성분 스칼라 상대성 보정을 포함하여 수많은 상대론적 보정을 사용할 수 있습니다.

단순한 쌍극자 모멘트에서 frequency dependent hyperpolarizabilities에 이르기까지, 다양한 분자 특성을 계산할 수 있습니다. 유효 코어 포텐셜 (effective core potential, ECP) 또는 모델 코어 포텐셜 (model core potential)을 포함하여 많은 basis set이 지원되므로, 기본적으로 주기율표 상의 모든 원소에 대응할 수 있습니다.

대부분의 계산은 적절한 하드웨어에서 병렬로 수행할 수 있습니다.

GAMESS input 알아보기

$CONTRL
이 그룹에서는 파동 함수 유형, 계산 유형, 코어 퍼텐셜 사용, 구면조화함수, 좌표 선택 및 기본 옵션을 지정합니다.

Parameter	Value	Description
SCF Type	RHF (Default)	Restricted Hartree Fock calculation
	UHF	Unrestricted Hartree Fock calculation
	ROHF	Restricted open shell Hartree-Fock.
	MCSCF	Multiconfigurational SCF wavefunction
MPLEVL	Chooses Møller-Plesset perturbation theory level, after the SCF. See $MP2, or $MRMP for MCSCF.
	0 (Default)	Skip the MP computation
	2	Perform second order energy correction.
RUN Type	ENERGY (Default)	Molecular energy without structure optimization
	HESSIAN	Molecular energy plus gradient plus second derivatives, including harmonic vibrational analysis. See the $FORCE and $CPHF input groups.
	OPTIMIZE	Optimize the molecular geometry using analytic energy gradients. See $STATPT.
	SADPOINT	Locate saddle point (transition state). See $STATPT.
	RAMAN	computes Raman intensities, see $RAMAN.
DFT Type	NONE (Default)	ab initio computation (Hartree-Fock Method)
	BLYP	perform density functional theory run, using the functional specified. Please refer to the following link to look at the 'DFTTYP' tag description. https://www.msg.chem.iastate.edu/gamess/GAMESS_Manual/docs-input.txt
	B3LYP
	PBE
	PBE0
	PW91
	REVPBE
TDDFT	NONE (Default)	no excited states
TDDFT	EXCITE	generate time-dependent DFT excitation energies, using the DFTTYP= functional, for RHF or UHF references. Analytic nuclear gradients are available for RHF. See $TDDFT.
Charge	Total charge of the molecular system
	0 (Default)	Neutral
	+1, -1, -2, ...	monovalent cation, monovalent anion, divalent anion, ...
Multiplicity	Multiplicity of the electronic state
	1 (Default)	Singlet
	2, 3, …	doublet, triplet, and so on.
ISPHER	Spherical Harmonics option
	-1 (Default)	Use Cartesian basis functions to construct symmetry-adapted linear combination (SALC) of basis functions. The SALC space is the linear variation space used.
	0	Use spherical harmonic functions to create SALC functions, which are then expressed in terms of Cartesian functions. The contaminants are not dropped, hence this option has EXACTLY the same variational space as ISPHER=-1. The only benefit to obtain from this is a population analysis in terms of pure s,p,d,f,g functions.
	1	Same as ISPHER=0, but the function space is truncated to eliminate all contaminant Cartesian functions [3S(D), 3P(F), 4S(G), and 3D(G)] before constructing the SALC functions. The computation corresponds to the use of a spherical harmonic basis.
PP	NONE (Default)	All electron calculation
	SBKJC	Stevens/Basch/Krauss/Jasien/Cundari valence basis set, for Li-Rn. This choice implies an unscaled -31G basis for H-He.
	HW	Hay/Wadt valence basis. This is a -21 split, available Na-Xe, except for the transition metals. This implies a 3-21G basis for H-Ne.
	MCP	Select PP=MCP in $CONTRL to automatically use the model core potential matching your basis choice below. References for these bases, and other information about MCPs can be found in the REFS.DOC chapter. Another family covering almost all elements is available in $DATA only.
	READ	Read ECP potentials in the $ECP input.

$BASIS
이 그룹에서는 자주 사용되는 표준 basis set을 설정할 수 있습니다. Basis set은 GBASIS, NDFUNC, BASNAM 등의 옵션을 통해 지정할 수 있습니다.

Parameter	Class	Value	Keywords	Description	Available Elements
BASIS	Semiempirical	AM1	GBASIS=AM1	selects AM1 model Hamiltonian	C, H, O, N
	Semiempirical	PM3	GBASIS=PM3	selects PM3 model Hamiltonian	H, C-F, Al-Cl, Br, I
	Gaussian functions	STO-3G	GBASIS=STO NGAUSS=3	Pople's STO-NG minimal basis set.	H-Xe
		3-21G (Default)	GBASIS=N21 NGAUSS=3	Pople's N-21G split valence basis set + 3 gaussian functions.	H-Xe
		6-31G*	GBASIS=N31 NGAUSS=6 NDFUNC=1	Pople's N-31G split valence basis set + 6 gaussian functions and heavy atom polarization functions.	H-Kr
		6-311G**	GBASIS=N311 NGAUSS=6 NDFUNC=1 NPFUNC=1	Pople's "triple split" N-311G basis set + 6 gaussian functions, heavy atom polarization functions, and p type polarization functions for light atom (H-He).	H-Ne
		6-311G**+	GBASIS=N311 NGAUSS=6 NDFUNC=1 NPFUNC=1 DIFFSP=.TRUE.	Pople's "triple split" N-311G basis set + 6 gaussian functions, p type polarization functions for light atom (H-He), and polarizaiton function, diffuse function for heavy atoms.	H-Ne
	Auxiliary basis set	cc-pVDZ	GBASIS=CCD	cc-pVDZ basis	H-Ar
		cc-pVTZ	GBASIS=CCT	cc-pVTZ basis	H-Ar
		aug-cc-pVDZ	GBASIS=ACCD	aug-cc-pVDZ basis	H-Ar
	Effective Core Potential (ECP)	SBKJC	GBASIS=SBKJC	Stevens/Basch/Krauss/Jasien/Cundari valence basis set, for Li-Rn. This choice implies an unscaled -31G basis for H-He.	H-Rn
	Custom	def2-svp	GBASIS=d2svp EXTFIL=.TRUE.	Custom basis set for heavy metal elements	H-Rn, La-Lu
		def2-tzvp	GBASIS=d2tzvp EXTFIL=.TRUE.	Custom basis set for heavy metal elements	H-Rn, La-Lu
		LANL2DZ	GBASIS=lanl2dz EXTFIL=.TRUE.	Custom basis set for heavy metal elements	H-Bi, La, U-Pu
		CUSTOM	GBASIS={User Define} EXTFIL=.TRUE.	Please refer to the following link to look at the 'GBASIS' tag description. https://www.msg.chem.iastate.edu/gamess/GAMESS_Manual/docs-input.txt You can download your custom basis set from Basis Set Exchange. https://www.basissetexchange.org/	User Define

$GUESS
이 그룹에서는 초기 분자 오비탈의 선택 방식을 결정할 수 있습니다.

Parameter	Value	Description
Initial Orbital	Write type of initial orbital guess.
	Huckel (Default)	Carry out an extended Huckel calculation using a Huzinaga MINI basis set, and project this onto the current basis. This is implemented for atoms up to Rn, and will work for any all electron or core potential basis set. (default for most runs)
	HCORE	Diagonalize the one electron Hamiltonian to obtain the initial guess orbitals. This method is applicable to any basis set, but does not work as well as the HUCKEL guess.
	MOREAD	Read in formatted vectors punched by an earlier run. This requires a $VEC deck, and you MUST pay attention to NORB below.
	RDMINI	Read in a $VEC deck from a converged SCF calculation using GBASIS=MINI, to project the MINI orbitals onto the current basis. The option improves upon the Huckel guess because it involves SCF orbitals, which are typically easily obtained in the small MINI basis. This option doesn't work if the current basis uses core potentials. potentials. The $VEC from the MINI run must contain all virtual orbitals.
	MOSAVED	(default for restarts) The initial orbitals are read from the DICTNRY file of the earlier run.
	SKIP	Bypass initial orbital selection. The initial orbitals and density matrix are assumed to be in the DICTNRY file. Mostly used for RUNTYP=HESSIAN when the hessian is being read in from the input.

$PCM
이 그룹은 Polarizable Continuum Model을 사용하여 용매 효과 계산을 제어합니다.
기본 키워드인 SOLVNT만 추가했을 때는 정전기적 자유 에너지를 계산합니다. 매우 다양한 용매들에 대해 적절한 수치 상수가 제공됩니다.
추가 키워드(ICOMP, ICAV, IDISP 또는 IREP/IDP)를 도입하여 공동 현상 (caviation), 반발 및 분산 자유 에너지와 같은 보다 정교한 계산을 수행할 수 있습니다. 이에 대한 방법론은 일반적이나, 수치 상수는 물에 대해서만 제공됩니다.

Parameter	Value		Description
Solvent effect	NONE (Default)
	WATER		Water (H2O)
	CH3OH		Methanol (CH3OH)
	C2H5OH		Ethanol (C2H5OH)
	CLFORM		Chloroform (CHCl3)
	CTCL		Carbon Tetrachloride (CCl4)
	METHYCL		Methylene Chloride (CH2Cl2)
	12DCLET		1,2-Dichloroethane (CH2ClCH2Cl)
	BENZENE		Benzene (C6H6)
	TOLUENE		Toluene (C6H5CH3)
	CYClOHEXANE		Cyclohexane (C6H12)
	CUSTOM	ACETONE	Acetone (CH3COCH3)
		ANILINE	Aniline (C6H5NH2)
		CLBENZ	Chlorobenzene (C6H5Cl)
		DMSO	Dimethylsulfoxide (DMSO)
		NEPTANE	N-Heptane (C7H16)
		NITMET	Nitromethane (CH3NO2)
		THF	Tetrahydrofuran (THF)

$FORCE
이 그룹은 Hessian 행렬(에너지 2차 도함수 텐서, 힘 상수 행렬이라고도 함)의 계산과 선택적 조화 진동 분석을 제어합니다. 이것은 계산 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 그러나 힘 상수 행렬이 주어지면 동위원소로 치환된 분자에 대한 진동 분석은 빠르게 수행됩니다. 관련 입력으로 $STATPT HESS=, $MASS, $HESS, $GRAD, $DIPDR, $VIB이 있습니다. Hessian 행렬을 계산하면 자동으로 쌍극자 도함수 텐서가 생성되어 IR frequency 계산이 진행됩니다. RUNTYP=RAMAN 옵션을 설정하면 Raman Intensity를 구할 수도 있습니다.

Parameter	Value	Description
METHOD	chooses the computational method
	ANALYTIC (Default)	ANALYTIC is a fully analytic calculation. This is implemented for SCFTYP=RHF, UHF, ROHF, GVB (for NPAIR=0 or 1, only), and MCSCF (for CISTEP=ALDET or ORMAS, only). R-DFT and U-DFT are also analytic.
	SEMINUM	SEMINUM does numerical differentiation of analytically computed first derivatives. This is the default for UHF, MCSCF using other CISTEPs, all solvent models, relativistic corrections, and most MP2 or CI runs.
	FULLNUM	FULLNUM numerically differentiates the energy twice, which can be used by all other cases. It requires many energies (a check run will tell how many) and so it is mainly useful for systems with only very few symmetry unique atoms.
Temperature (K)	298.15 (Default)	An array of up to ten temperatures at which the thermochemistry should be printed out. The default is a single temperature, 298.15 K. To use absolute zero, input 0.001 degrees.

$STATPT
Stationary point (바닥 상태 지점) 탐색 조건을 제어하는 그룹입니다.

Parameter	Value	Description
Convergence tolerance (Hartree/Bohr)	0.0001 (Default)	Gradient convergence tolerance (unit: Hartree/Bohr) Convergence of a geometry search requires the largest component of the gradient to be less than OPTTOL, and the root mean square gradient less than 1/3 of OPTTOL.
Max iteration step	500 (Default)	The maximum number of steps to take. Restart data is punched if NSTEP is exceeded. The default is 50 steps for a minimum search, but only 20 for a transition state search, which benefit from relatively frequent Hessian re-evaluations.
Hessian matrix	GUESS (Default)	GUESS chooses an initial guess for the hessian. (default for RUNTYP=OPTIMIZE)
Hessian matrix	CALC	Compute the hessian, see $FORCE input.
IR frequency	Flag to control automatic hessian evaluation at the end of a successful geometry search. (default=.FALSE.)

$TDDFT
이 그룹에서는 TDDFT (time-dependent density functional theory) 계산, 또는 time-dependent Hartree-Fock (Random Phase Approximation) 계산을 통해 분자의 들뜬 상태 에너지를 계산하기 위한 옵션을 설정합니다.

Parameter	Value	Description
Nstate	10 (Default)	Number of states to be found (excluding the reference state). The default is 1 more state.
MULT	1 (Default)	Multiplicity (1 or 3) of the singly excited states. This keyword applies only when the reference is a closed shell. This parameter is ignored when TDDFT=SPNFLP.

LAMMPS
소재 시뮬레이션을 수행하기 위해 Materials Square에서 사용할 수 있는 분자동역학 코드인 LAMMPS에 대해 간략하게 소개합니다. LAMMPS의 작동 원리와 가능한 역할에 대해 자세히 이해하려면 lammps.sandia.gov에 제공된 매뉴얼을 참고하십시오.

LAMMPS
LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) 는 Sandia National Laboratory 에서 개발된 오픈 소스 고전 분자동력학 계산 프로그램이며, 병렬 컴퓨터에서 매우 효율적으로 계산될 수 있도록 설계되어 있습니다. 뉴튼의 운동 방정식을 기반으로 적게는 수 백개에서 수 억개의 원자로 구성된 시스템을 원자간의 힘장 (Force-field)을 이용하여 매우 빠른 속도로 계산할 수 있습니다. 재료 연구의 가장 기본이 되는 특성인 주어진 온도에서의 안정성을 직관적으로 관측할 수 있을 뿐만 아니라, 물질의 기계적, 열적, 화학적 특성 등을 계산할 수 있습니다.
최근 그래픽스 처리장치 (GPU)를 활용하여 병렬 계산 효율성을 극대화하였고, 원자간 포텐셜 확장을 위하여 기계학습 포텐셜을 활용할 수도 있습니다.

LAMMPS input 알아보기

Parameter	Value	Description
Reactive Forcefield	ID	각 reactive forcefield를 구별할 수 있는 고유한 값입니다.
	Type	Reactive forcefield의 type
	Elements	Reactive forcefield가 고려하는 원소
	Author	Reactive forcefield의 제작자
	DOI	해당 reactive forcefield의 논문
Ensemble	NVT	NVT ensemble은 canonical ensemble이라고도 불리며, 계산 모델을 temperature, volume and the number of the atom이 고정된 고립계로 가정합니다.
Ensemble	NVE	NVE ensemble은 microcanonical ensemble이라고도 불립니다. 이 옵션을 선택하면 계산 모델을 system의 에너지가 고정되어 주변 환경과 에너지나 입자를 교환하지 않는 고립계로 가정합니다.
After Relax	NVT 혹은 NVE 시뮬레이션 시작 전, 상온 (200~300 K)에서 먼저 구조 Relaxation을 수행하여 안정화시키는 단계를 진행합니다. 계산이 구조 불안정성 때문에 실패할 확률을 줄일 수 있습니다.
Dump	지정한 step마다 trajectory 파일을 저장합니다. Dump를 크게 설정하여 시뮬레이션 시간이 긴 계산의 전체 파일 크기를 줄일 수 있습니다.
Temperature	Begin (K)	시뮬레이션 시작 시의 온도
	Final (K)	시뮬레이션 중의 목표 온도
	Damping (Step)	Damping step마다 온도를 재설정합니다.
Time (ps)	총 시뮬레이션 시간을 정합니다. (1 ns = 1000 ps)
Initial Velocity (Å/fs)	선택한 atom group의 초기 속도
Force (Kcal/mole-Å)	선택한 atom group에 대해 1 fs당 가해지는 힘의 크기
Move (Linear, Å/fs)	선택한 atom group에 대해 1 fs당 이동하는 거리

Materials Square 인용
Materials Square를 저작물에 인용하실 때, URL을 통해 인용해 주십시오.
Materials Square 상에 이식된 계산 패키지를 인용할 때는 Acknowledgement 페이지를 참고하십시오.

Example

Quantum Espresso

First-principles calculations were performed using Quantum ESPRESSO ^[1],[2] package implemented in Materials Square ^[3].

[1] Giannozzi, P., Baroni, S., Bonini, N., Calandra, M., Car, R., Cavazzoni, C., ... & Wentzcovitch, R. M. (2009). QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials. Journal of physics: Condensed matter, 21(39), 395502.
[2] Giannozzi, P., Andreussi, O., Brumme, T., Bunau, O., Nardelli, M. B., Calandra, M., ... & Baroni, S. (2017). Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO. Journal of physics: Condensed matter, 29(46), 465901.
[3] Virtual Lab. Inc., (2017, January 01). Materials Square. https://www.materialssquare.com/

GAMESS

First-principles calculations were performed using GAMESS ^[1] package implemented in Materials Square ^[2].

[1] Barca, G. M., Bertoni, C., Carrington, L., Datta, D., De Silva, N., Deustua, J. E., ... & Gordon, M. S. (2020). Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system. The Journal of chemical physics, 152(15), 154102.
[2] Virtual Lab. Inc., (2017, January 01). Materials Square. https://www.materialssquare.com/

LAMMPS

Molecular dynamics simulation were performed using LAMMPS ^[1] package implemented in Materials Square ^[2].

[1] Plimpton, S. (1995). Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics. Journal of computational physics, 117(1), 1-19.
[2] Virtual Lab. Inc., (2017, January 01). Materials Square. https://www.materialssquare.com/

Calphad

Phase diagram was obtained by CALPHAD approach ^[1] implemented in Materials Square ^[2].

[1] Sundman, B., Kattner, U. R., Palumbo, M., & Fries, S. G. (2015). OpenCalphad-a free thermodynamic software. Integrating Materials and Manufacturing Innovation, 4(1), 1-15.
[2] Virtual Lab. Inc., (2017, January 01). Materials Square. https://www.materialssquare.com/

Publications
Materials Square에서 제공하는 계산 패키지를 이용해 얻은 데이터를 실은 출판물 목록입니다.

Quantum Espresso

Kim, H. J., Choi, J. H., Lee, S., Han, G. S., & Jung, H. S. (2024). Facet-Controlled Growth of Hydroxyapatite for Effectively Removing Pb from Aqueous Solutions. ACS Omega.
J. B. Park, C. Choi, S. W. Jung, B. C. Min, J. H. Park, D.-W. Kim, Designing Chemically Replaced Interfacial Layer via Unveiling the Influence of Zn Crystal Facets for Practical Zn-Metal Anodes. Adv. Mater., 2024,, 36,, 2308684.
Lee, S. B., Park, C., Park, S. H., Lee, Y., & Yeo, J. S. Effect of Nitrogen Doping on Characteristics of Site Ovonic Threshold Switch for Selectors. Available at SSRN, 4681334.
Aldulaijan, S., Ajeebi, A. M., Jedidi, A., Messaoudi, S., Raouafi, N., & Dhouib, A. (2023). Surface modification of graphene with functionalized carbenes and their applications in the sensing of toxic gases: a DFT study. RSC advances, 13(28), 19607-19616.
Jung, K., Pratama, D. S. A., Haryanto, A., Jang, J. I., Kim, H. M., Kim, J. C., ... & Kim, D. W. (2023). Iridium-Cluster-Implanted Ruthenium Phosphide Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction. Advanced Fiber Materials, 1-12.
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Haghighat-Shishavan, S., Nazarian-Samani, M., Nazarian-Samani, M., Roh, H. K., Chung, K. Y., Oh, S. H., ... & Kim, K. B. (2019). Exceptionally reversible Li-/Na-ion storage and ultrastable solid-electrolyte interphase in layered GeP5 anode. ACS applied materials & interfaces, 11(36), 32815-32825.

LAMMPS

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Salman, M. B., Park, M., & Banisalman, M. J. Atomistic Investigation of Interstitial Dislocation Loop Formation in Tantalum and Tantalum-Tungsten Alloy under by Low Temperature Irradiation under Local Deformation.
Salman, M. B., Park, M., & Banisalman, M. J. (2023). Revealing the Effects of Strain and Alloying on Primary Irradiation Defects Evolution in Tantalum Through Atomistic Simulations. Metals and Materials International, 1-12.
Kilic, M. E., Lee, J. H., & Lee, K. R. (2021). Oxygen ion transport in doped ceria: effect of vacancy trapping. Journal of Materials Chemistry A.

Calphad

Awais, M. (2023). Microstructure Evolution and Deformation Micromechanisms of Nickel and Refractory Superalloys (Doctoral dissertation, University of Miami).
Awais, M., Hixson, W. R., Victor, Q., O’Neal, C., Ilavsky, J., & Coakley, J. (2023). Microstructure Evolution of a Multimodal Gamma-Prime Ni-Based Superalloy Characterized by In Situ Diffraction. Metallurgical and Materials Transactions A, 54(6), 2311-2319.