| name | scientific-computational-materials |
| description | 計算材料科学スキル。pymatgen による結晶構造操作・対称性解析、
Materials Project API による材料データベース照会、
相図計算 (凸包解析)、電子バンド構造・状態密度 (DOS) 可視化、
VASP/Quantum ESPRESSO 入出力、高スループットスクリーニングパイプライン。
|
Scientific Computational Materials
無機結晶材料を中心に、結晶構造操作・物性データベース照会・
第一原理計算入出力・相安定性解析・電子構造可視化を提供する
計算材料科学パイプライン。
When to Use
- 結晶構造の生成・変換・対称性解析を行うとき
- Materials Project API で材料物性データを照会するとき
- 相図 (凸包) による安定性解析が必要なとき
- DFT 計算 (VASP/QE) の入力ファイル生成・出力解析をするとき
- バンド構造・状態密度 (DOS) を可視化するとき
- 高スループット材料スクリーニングを行うとき
Quick Start
1. 結晶構造操作
from pymatgen.core import Structure, Lattice
from pymatgen.symmetry.analyzer import SpacegroupAnalyzer
def create_crystal_structure(lattice_params, species, coords,
output_file="results/structure.cif"):
"""
pymatgen による結晶構造の生成と解析。
Parameters:
- lattice_params: (a, b, c, alpha, beta, gamma) or 3×3 matrix
- species: 元素リスト ["Si", "O", ...]
- coords: 分率座標 [[x,y,z], ...]
"""
lattice = Lattice.from_parameters(*lattice_params)
structure = Structure(lattice, species, coords)
sga = SpacegroupAnalyzer(structure, symprec=0.1)
print(f" Crystal structure:")
print(f" Formula: {structure.composition.reduced_formula}")
print(f" Space group: {sga.get_space_group_symbol()} ({sga.get_space_group_number()})")
print(f" Crystal system: {sga.get_crystal_system()}")
print(f" Lattice: a={lattice.a:.3f}, b={lattice.b:.3f}, c={lattice.c:.3f}")
print(f" Volume: {structure.volume:.3f} ų")
print(f" Density: {structure.density:.3f} g/cm³")
conventional = sga.get_conventional_standard_structure()
primitive = sga.get_primitive_standard_structure()
print(f" Conventional cell: {len(conventional)} atoms")
print(f" Primitive cell: {len(primitive)} atoms")
structure.to(filename=output_file)
return structure, sga
def analyze_structure_symmetry(structure, symprec=0.01):
"""
結晶対称性の詳細解析。
- 空間群・点群
- Wyckoff 位置
- サイト対称性
"""
sga = SpacegroupAnalyzer(structure, symprec=symprec)
symmetry_info = {
"space_group_symbol": sga.get_space_group_symbol(),
"space_group_number": sga.get_space_group_number(),
"crystal_system": sga.get_crystal_system(),
"point_group": sga.get_point_group_symbol(),
"hall_symbol": sga.get_hall(),
"symmetry_operations": len(sga.get_symmetry_operations()),
}
sym_struct = sga.get_symmetrized_structure()
wyckoff_sites = sym_struct.wyckoff_symbols
print(f" Symmetry analysis:")
for k, v in symmetry_info.items():
print(f" {k}: {v}")
print(f" Wyckoff sites: {wyckoff_sites}")
return symmetry_info
2. Materials Project API 照会
from mp_api.client import MPRester
import pandas as pd
def query_materials_project(formula=None, elements=None,
band_gap_range=None,
e_above_hull_max=0.025):
"""
Materials Project API による材料データベース照会。
検索条件:
- 化学式 (formula) — exact or reduced
- 構成元素 (elements) — 含む/排除
- バンドギャップ範囲 (band_gap_range) — eV
- 凸包上エネルギー (e_above_hull) — 安定性指標
"""
with MPRester() as mpr:
criteria = {}
if formula:
criteria["formula"] = formula
if elements:
criteria["elements"] = elements
docs = mpr.materials.summary.search(
**criteria,
energy_above_hull=(0, e_above_hull_max) if e_above_hull_max else None,
band_gap=band_gap_range,
fields=[
"material_id", "formula_pretty", "volume",
"density", "band_gap", "energy_above_hull",
"formation_energy_per_atom", "is_stable",
"symmetry", "nsites",
],
)
results = []
for doc in docs:
results.append({
"mp_id": doc.material_id,
"formula": doc.formula_pretty,
"space_group": doc.symmetry.symbol if doc.symmetry else None,
: doc.band_gap,
: doc.energy_above_hull,
: doc.formation_energy_per_atom,
: doc.density,
: doc.nsites,
: doc.is_stable,
})
df = pd.DataFrame(results)
()
()
(df) > :
()
()
df
3. 相図・凸包解析
import numpy as np
import pandas as pd
def compute_phase_diagram(system_elements, output_file="figures/phase_diagram.png"):
"""
相図 (凸包) 計算。
凸包 (Convex Hull):
- 安定相: 凸包上の点 (e_above_hull = 0)
- 準安定相: 凸包上方の点 (e_above_hull > 0)
- 分解反応: 凸包上の隣接安定相への分解
"""
from mp_api.client import MPRester
from pymatgen.analysis.phase_diagram import PhaseDiagram, PDPlotter
with MPRester() as mpr:
entries = mpr.get_entries_in_chemsys(system_elements)
pd_obj = PhaseDiagram(entries)
print(f" Phase diagram: {'-'.join(system_elements)}")
print(f" Total entries: {len(entries)}")
print(f" Stable phases: {len(pd_obj.stable_entries)}")
for entry in pd_obj.stable_entries:
formula = entry.composition.reduced_formula
e_form = pd_obj.get_form_energy_per_atom(entry)
print(f" {formula}: ΔHf = {e_form:.4f} eV/atom")
plotter = PDPlotter(pd_obj)
plotter.get_plot().savefig(output_file, dpi=300, bbox_inches="tight")
return pd_obj
4. 電子バンド構造・DOS
import numpy as np
def plot_band_structure(material_id, output_file="figures/band_structure.png"):
"""
電子バンド構造の取得と可視化。
- 高対称 k-path (Setyawan-Curtarolo 規約)
- バンドギャップ判定 (直接/間接)
- フェルミレベル基準
"""
from mp_api.client import MPRester
from pymatgen.electronic_structure.plotter import BSPlotter
with MPRester() as mpr:
bs = mpr.get_bandstructure_by_material_id(material_id)
if bs is None:
print(f" No band structure available for {material_id}")
return None
gap = bs.get_band_gap()
print(f" Band structure: {material_id}")
print(f" Band gap: {gap['energy']:.3f} eV")
print(f" Direct: {gap['direct']}")
print(f" Transition: {gap['transition']}")
plotter = BSPlotter(bs)
plotter.get_plot().savefig(output_file, dpi=300, bbox_inches="tight")
return bs
def plot_density_of_states(material_id, output_file="figures/dos.png"):
"""
電子状態密度 (DOS) の取得と可視化。
- Total DOS + projected DOS (元素分解)
- スピン偏極 (該当時)
"""
mp_api.client MPRester
pymatgen.electronic_structure.plotter DosPlotter
MPRester() mpr:
dos = mpr.get_dos_by_material_id(material_id)
dos :
()
()
()
plotter = DosPlotter()
plotter.add_dos(, dos)
plotter.get_plot().savefig(output_file, dpi=, bbox_inches=)
dos
5. VASP/Quantum ESPRESSO 入出力
from pymatgen.core import Structure
def generate_vasp_inputs(structure, output_dir="vasp_inputs",
calculation_type="relaxation"):
"""
VASP 入力ファイル生成。
計算タイプ:
- relaxation: 構造緩和 (ISIF=3)
- static: 静的計算 (NSW=0)
- band: バンド構造 (ICHARG=11)
- dos: 状態密度 (LORBIT=11)
"""
from pymatgen.io.vasp.sets import (
MPRelaxSet, MPStaticSet,
)
import os
os.makedirs(output_dir, exist_ok=True)
if calculation_type == "relaxation":
vis = MPRelaxSet(structure)
elif calculation_type == "static":
vis = MPStaticSet(structure)
else:
vis = MPRelaxSet(structure)
vis.write_input(output_dir)
print(f" VASP inputs generated: {output_dir}")
print(f" Calculation: {calculation_type}")
print(f" Files: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS")
return output_dir
def parse_vasp_output(vasprun_file="vasprun.xml"):
"""
VASP 出力 (vasprun.xml) の解析。
"""
from pymatgen.io.vasp.outputs import Vasprun
vr = Vasprun(vasprun_file, parse_dos=True, parse_eigen=True)
print(f" VASP output: {vasprun_file}")
print(f" Final energy: {vr.final_energy:.6f} eV")
()
()
vr
References
Output Files
| ファイル | 形式 |
|---|
results/structure.cif | CIF |
results/materials_query.csv | CSV |
figures/phase_diagram.png | PNG |
figures/band_structure.png | PNG |
figures/dos.png | PNG |
vasp_inputs/ | VASP input set |
利用可能ツール
ToolUniverse SMCP 経由で利用可能な外部ツール。
なし — Materials Project API (mp-api) を直接利用。
参照スキル
| スキル | 関連 |
|---|
scientific-quantum-computing | 量子計算・VQE・量子化学 |
scientific-cheminformatics | 分子記述子・構造解析 |
scientific-publication-figures | 構造・相図可視化 |
scientific-materials-characterization | XRD・SEM・実験材料特性 |
依存パッケージ
pymatgen, mp-api, pandas, numpy, matplotlib
