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两款费米面绘制软件ifermi和fermisurfer

yuyutoo 2024-10-21 12:07 11 浏览 0 评论

“日拱一卒,积跬步,至千里”


祝大家新年快乐!老王在这里给大家拜年了,感谢大家的关注。

我们说到费米面,就是在讲遵从费米-狄拉克统计分布的电子在T=0 K时电子占据态与非占据态的分界面,或者是最高占据能级的等能面。一般来说,半导体和绝缘体不用费米面,而用价带顶的概念。金属中的自由电子满足泡利不相容原理,因而在填充过程中会有最高占据能级的概念,也就形成了费米面。类似于瓶子里倒入水会有水面,金属中填充费米子(电子)具有了费米面。k空间中被充满区域的总面积仅仅依赖于电子浓度,而费米面的形状依赖于点阵的相互作用。在三维材料中费米面是曲面,在二维材料中费米面是曲线。因为费米面附近的电子对金属的性质有重要影响,如金属的电子比热、电子的逸出功、金属电导等主要决定于费米面附近的电子,所以在我们阐述材料性质的时候总是会讨论费米面上电子的性质。这就使得我们需要绘制材料费米面及与费米面相关的性质。

在之前的推文中老王分享过使用pyprocar来绘制二维和三维费米面和spin texture,以及从外部文件获取属性对费米面着色。
PyProcar系列之2D自旋纹理,3D费米面 (炫酷的图来了)
往期pyprocar系列文章

今天老王分享两个费米面绘制软件ifermi和fermisurfer,并讨论其优缺点。

  1. 安装
1.1 ifermi
ifermi需要python 3.6+的环境,需要依赖的包如下:
pymatgen for parsing DFT calculation outputs.BoltzTrap2 for band structure interpolation.trimesh for manipulating isosurfaces.matplotlib, mayavi, and plotly for three-dimensional plotting.
一般联网状态下直接运行如下命令即可安装
pip install ifermi
安装后会生成ifermi的执行文件用于命令行模式绘制费米面。若有问题可参考手册。
https://fermisurfaces.github.io/IFermi/introduction.html#installation


1.2 fermisurfer
相比于ifermi,fermisurfer是有交互界面的,比较友好。有网页版和Linux安装版两种。
网页版链接如下:
http://fermisurfer.osdn.jp/js/index.php
下面是MgB2费米速度的案例:

linux版本讲一下Ubuntu上的安装,其他平台可以参照手册。
http://fermisurfer.osdn.jp/en/_build/html/index.html
官网为:https://fermisurfer.osdn.jp/

首先安装依赖库
sudo aptitude install libwxgtk3.0-dev
老王这里是18版本的Ubuntu,没有上述命名的库,找到的是libbwxgtk3.0-gtk3-dev,修改为如下命令即可。
sudo aptitude install libwxgtk3.0-gtk3-dev
接着下载fermisurfer安装包,官网有链接,但是下载速度比较慢。
建议大家可以后台回复fermisurfer获取安装包。

下载后解压进入文件夹依次执行下面的命令
./configuremakesudo make install
安装完成。

2. 使用
2.1 ifermi
官网文档:
https://fermisurfaces.github.io/IFermi/cli.html#

info功能总结
ifermi info
用于导出费米面的面积,维度,方向等信息,输入文件是vasprun.xml
下面是MgB2费米面执行的结果
Fermi Surface Summary=====================
# surfaces: 5 Area: 32.745 ??2
Isosurfaces~~~~~~~~~~~
Band Area [??2] Dimensionality Orientation ------ ------------ ---------------- ------------- 6 1.944 2D (0, 0, 1) 7 4.370 1D (0, 0, 1) 7 2.961 2D (0, 0, 1) 8 3.549 1D (0, 0, 1) 8 3.549 1D (0, 0, 1)
根据上面的命令再引入性质的平均,例如费米速度的平均,命令是
ifermi info --property velocity
结果为
Fermi Surface Summary=====================
# surfaces: 5 Area: 32.75 ??2 Avg velocity: 9.131e+05 m/s
Isosurfaces~~~~~~~~~~~
Band Area [??2] Velocity avg [m/s] Dimensionality Orientation ------ ------------ -------------------- ---------------- ------------- 6 1.944 7.178e+05 2D (0, 0, 1) 7 4.370 9.092e+05 quasi-2D (0, 0, 1) 7 2.961 5.880e+05 2D (0, 0, 1) 8 3.549 1.105e+06 quasi-2D (0, 0, 1) 8 3.549 1.105e+06 quasi-2D (0, 0, 1)

plot功能总结
ifermi plot #默认绘图ifermi plot --filename my_vasprun.xml #指定文件ifermi plot -f my_vasprun.xml #指定文件ifermi plot --interpolation-factor 10 #插值 10为插值因子,默认是8ifermi plot -i 10 #插值 10为插值因子,默认是8ifermi plot --mu 1 #指定费米面,mu为化学势,默认值是0ifermi plot --property velocity #计算费米面群速度,单位m/sifermi plot --property spin #自旋轨道耦合或者非线性磁性费米面上的自旋,计算要求ISYM=-1ifermi plot --property spin --projection-axis 0 0 1 #表示自旋在001方向的投影ifermi plot --no-wigner #不显示Wigner–Seitz胞,默认显示Wigner–Seitz胞ifermi plot --type matplotlib #使用matplotlib绘制,可以用poltly或者mayavi具体设置见官方文档ifermi plot -t matplotlib #同上--type(-t)
自旋设置
ifermi plot --spin up #绘制上自旋 ifermi plot --spin down #绘制下自旋
输出设置
ifermi plot --o fermi-surface.jpg #同上--output(-t)ifermi plot --output fermi-surface.html #输出.html格式
方位角设置
ifermi plot --azimuth 120 --elevation 5 #改变视角,方位角azimuth和仰角elevationifermi plot -a 120 -e 5 #同上,为简写形式
表面性质的colormap
ifermi plot --property velocity --property-colormap viridis
ifermi plot --property velocity --cmin 0 --cmax 5 #调节color的最大最小值

投影性质的colormap
ifermi plot --property velocity --projection-axis 0 0 1 --property-colormap RdBu
矢量形式的性质
ifermi plot --property velocity --projection-axis 0 0 1 --property-colormap RdBu \ --vector-property --vector-colormap RdBu --hide-surface --hide-labels
注:--vnorm 可用于调节箭头大小 --vector-spacing 可用于调节箭头密度

费米面切片
ifermi plot --slice 0 0 1 0 # 表示001方向,化学势mu为0

切片后的spin texture-colormap形式
ifermi plot --mu -0.85 -i 10 --slice 0 0 1 0 --property spin --hide-cell \ --hide-labels --projection-axis 0 1 0 --property-colormap RdBu
切片后的spin texture-arrow形式
ifermi plot --mu -0.85 -i 10 --slice 0 0 1 0 --property spin --hide-cell \ --hide-labels --projection-axis 0 1 0 --property-colormap RdBu \ --vector-property --vector-colormap RdBu --vnorm 5 --vector-spacing 0.025


2.2 fermisurfer
fermisurfer官网文档:
https://fermisurfer.osdn.jp/en/_build/html/index.html

fermisurfer可接口的软件有:
Quantum ESPRESSOSuperconducting-Toolkit (SCTK)OpenMXRESPACKVASPkitc2xWannier Berri

输入文件frmsf格式:
40 40 36 (1)0 (2)3 (3)1.0000000 0.57735026 -0.0000000 (4)0.0000000 1.1547005 0.0000000 (5)0.0000000 -0.0000000 0.87206507 (6)2.91340202E-02 (7)2.93242838E-022.98905596E-023.08193434E-02::0.143937960.128004880.0000000 (8)0.362698170.716756941.05351131.3644149::-26.409407-19.318560-10.315671
(1)网格密度
(2)网格是否位移
(3)米面涉及的能带数
(4-6)晶格矢量
(7)每个k点的能量
(8)其他性质,对应(7)中的k点,可以是0-3组数

下面是界面,左侧是显示的费米面图,右边是参数设置。

参数的含义如下:
Background color #背景颜色,RGBLine width #布里渊区边界额nodal line线的宽度Line color #线的颜色Band #能带选择Brillouin zone #布里渊区形式,first BZ还是Primitive BZ,设置后需要更新Number of Brillouin zone #用于形成布里渊区阵列Color bar # 费米面的color barNodal line #输入文件中性质数据为零的线Fermi energy #移动费米面,需要更新Tetrahedron #绘图方案,需要更新

着色模式
Color scale mode #需要更新

绘制赤道
Equator # 需要更新

选择光照方向

布里渊区截面

输出截面信息用于绘制图
输出fermi_line.dat”和“bz_line.dat”两个文件
gnuplot绘图命令为:
plot "fermi_line.dat" w l, "bz_line.dat" w l

视角
View point


3. 优缺点或特点
3.1 输入文件
ifermi可以直接处理vasp的输出文件vasprun.xml,不需要生成其他文件。
fermisurfer中需要使用vaspkit 263功能将静态或者DOS计算的结果处理为frmsf后缀的文件,然后再用fermisurfer打开绘图。

3.2 性质
ifermi可以处理包括velosity和spin两种性质,处理的布里渊区有三维和二维截面两种,可以显示自旋,可以投影方向,可以显示spin texture。
fermisurfer在界面中处理的性质只有verlosity,但是因为fermisurfer可以输入frmsf后缀的文件,该文件可以在每个k点本征值后面补充对应的性质,包括电声耦合常数,超导带隙等均可以绘制。从这个角度来看,fermisurfer可以绘制的性质更多。但是fermisurfer在视角上只有透视模式,没有平行模式,因此可以呈现三维费米面,而不能呈现二维平面的费米面。二维费米面需要生成文件后使用gnuplot绘制。

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