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原子構造モデルの作成は、第一原理計算を材料研究に利用するための最初の、おそらく最も重要なステップである。複雑な物質系を扱う場合はしばしば、このモデルの作成が最も結果を左右する本質的かつ難しいステップとなる。ここでは、正方晶ZrO₂中の酸素空孔を計算するためのスーパーセルモデルを作成するために、VESTA（バージョン3.4.0でテスト済み）を用いる方法を紹介する。

現在では、標準的なファイル形式で構造情報を提供するデータベースが数多く利用できるようになっている。ここではMaterials Projectを利用する。https://materialsproject.org/にログインし（サイト利用は無償だが登録が必要である）、Materials Explorerインターフェイスを使ってOとZrを含む構造を検索する。ZrO₂はいくつかの結晶多形を有するが、正方晶ZrO₂の空間群はP4₂/nmcなので、それを選ぶ。

構造ファイルをダウンロードするためにダウンロードアイコンをクリックしてデータフォーマットを選択する。ここでは、CIF (Symmetrized) を選択した。

CIFファイルをVESTAで開いてみる。エクスプローラー (Windows) やFinder (Mac) からファイルをVESTAのウィンドウにドラッグするか、File → Openで開くことができる。構造が読み込まれたら、モデルをクリックしたりドラッグしたりしてみると、楽しいし構造の感触をつかめるだろう。

酸素空孔がある状態を計算したいので、モデルから酸素原子を削除する必要がある。原子座標は、メニューのEdit -> Edit Data -> Structure Parametersから確認でき、対称性の観点から非等価なサイトが2つだけ列挙されている。

空孔を挿入したいので、まずは対称性を削除する。”Unit cell “タブで “Remove symmetry “ボタンをクリックし、”Structure parameters “タブに戻ると、対称性が考慮されなくなったため、6つの原子が表示される。

この時点で、このリストの中のO原子を1つ選択し、”Delete “をクリックして、酸素空孔を作ることができる。ただし、この場合はもとの単位胞1つあたり1つの空孔が入ることになり、非現実的な空孔濃度になってしまう。

より希薄な系を計算するには、空孔を作る前に、より大きな単位胞、つまりスーパーセルを準備する必要がある。これは、”Unit Cell”タブで “Transform”をクリックし、回転行列を修正することで実現できる。ここでは、新しいスーパーセルとして、もとの単位胞を3×3×2倍した(3a, 3b, 2c)を採用する。

OK “をクリックすると、VESTAが構造の変換方法を尋ねてくる。”Search atoms in the new unit-cell… “を選択する。

Edit Dataウィンドウで “Apply “をクリックすると、スーパーセル構造が確定される：

この後、Structure parametersウィンドウ（Edit → Edit Data → Structure parameters）に戻り、O原子を1つ選択してDeleteし、Applyをクリックすることで、スーパーセルに空孔が1つ導入される。

構造データは，File → Export Dataでファイル形式としてVASPを選択することにより，VASP POSCAR形式にエクスポートすることができる．

2024/2/6: 日本語版を作成