시스템 정의

NOTE 31-04-00 · 박스와 원자 만들기

1. 일반 사항

A. 목적

1. 이 노트는 시뮬레이션 박스와 원자를 만드는 절차를 다룬다.
2. 이 노트는 boundary 명령으로 경계 조건과 박스 모양을 정하는 절차를 다룬다.

B. 적용 범위

1. 입력 스크립트 4단계 구조 중 2단계(시스템 정의)에 적용한다.
2. 단순 액체, 결정 슬랩 + 진공, 분자 시스템의 세 패턴을 다룬다.

C. 결과 요약

1. 매뉴얼이 제시하는 방법은 read_data, read_restart, lattice → region → create_box → create_atoms 의 세 가지다.
2. 한 입력에서 두 가지 이상을 섞어 써도 된다.
3. 슬랩 시뮬레이션은 보통 p p f 나 p p m 경계 조건을 쓴다.

2. 준비 정보

A. 필요한 개념

1. NOTE 31-03-00 의 units 와 atom_style 선택을 알아야 한다.

B. 참조 자료

C. 사용 프로그램

D. 관련 파일

3. 절차

A. 생성 방법 선택

1. 아래 표에서 시스템에 맞는 방법을 고른다. LAMMPS 매뉴얼은 박스와 원자를 만드는 방법으로 다음 세 가지를 든다.

B. 격자에서 만들기

1. lattice 명령으로 결정 격자를 정의한다.
2. region 으로 영역을 정의한다.
3. create_box 로 박스를 만든다.
4. create_atoms 로 원자를 채운다.

units           lj
atom_style      atomic

lattice         fcc 0.8442
region          box block 0 10 0 10 0 10
create_box      1 box
create_atoms    1 box

mass            1 1.0

5. 각 줄의 의미를 확인한다.
   1. lattice fcc 0.8442: fcc 격자, 환원 밀도 0.8442 (LJ 단위계)
   2. region box block 0 10 0 10 0 10: box 라는 이름의 직육면체 영역, 격자 단위로 각 축 0~10
   3. create_box 1 box: 위 region 안에 원자 타입 1개를 위한 박스 생성
   4. create_atoms 1 box: 타입 1 원자로 채우기

C. 격자 상수 단위 확인

1. units real 이나 units metal 에서는 격자 상수를 Å 단위로 직접 준다.

units           metal
atom_style      atomic

lattice         fcc 3.615        # Cu 격자 상수 (Å)
region          slab block 0 8 0 8 0 6
create_box      1 slab
create_atoms    1 slab

mass            1 63.546

D. 데이터 파일에서 읽기

1. 외부 도구(2.C)로 데이터 파일을 만든다.
2. read_data 로 데이터 파일을 읽어 들인다.

units           real
atom_style      full

read_data       system.data

3. 데이터 파일의 헤더와 섹션 구성을 확인한다. 데이터 파일은 텍스트이고, 다음과 같은 헤더와 섹션으로 이루어진다.

LAMMPS data file from custom tool

   1234 atoms
    800 bonds
    600 angles
    400 dihedrals

      5 atom types
      4 bond types
      3 angle types
      2 dihedral types

   0.0  30.0  xlo xhi
   0.0  30.0  ylo yhi
   0.0  41.895 zlo zhi

Masses

1   12.011
2    1.008
...

Atoms       # full

1   1  1   -0.18   0.000   0.000   3.000
2   1  2    0.06   0.500   0.000   3.000
...

Bonds

1   1   1   2
...

4. 헤더에 박스 크기, 원자/결합/각도/이면각 개수와 종류 수가 있는지 확인한다.
5. Atoms 섹션의 형식이 atom_style 과 맞는지 확인한다.
   1. full 이라면 atom-ID molecule-ID type charge x y z 순서다.
6. 토폴로지를 쓴다면 Bonds, Angles, Dihedrals, Impropers 섹션이 차례대로 있는지 확인한다.

E. 경계 조건과 박스 모양 설정

1. boundary 명령으로 세 축의 경계 조건을 정한다.

boundary        p p p     # 3D 주기적 (기본)
boundary        p p f     # x, y는 주기적; z는 고정 (슬랩에 흔함)
boundary        f f f     # 클러스터 (모든 면 비주기)

2. 각 기호의 의미를 확인한다.
   1. p: 주기적(periodic)
   2. f: 고정(fixed). 원자가 이 면을 넘으면 사라진다("lost atom" 오류).
   3. s: 축소형(shrink-wrapped). 박스가 원자를 따라 줄어든다.
   4. m: minimum shrink-wrapped. s + 최소 박스 크기 보장.
3. 슬랩 시뮬레이션(표면 흡착, 박막 등)에서는 보통 p p f 나 p p m 조합을 쓴다.

4. 박스가 비직교(triclinic)라면 기울기를 정의한다. lattice 명령 옵션, region prism, 또는 read_data 헤더의 xy xz yz 항목을 쓴다.

F. 패턴 A: 단순 액체

1. 격자에서 LJ 액체를 만든다.

units           lj
atom_style      atomic
lattice         fcc 0.8442
region          box block 0 10 0 10 0 10
create_box      1 box
create_atoms    1 box
mass            1 1.0

G. 패턴 B: 결정 슬랩 + 진공

1. 격자에서 Cu 슬랩을 만든다.
2. change_box 로 위쪽에 진공 영역을 추가한다.

units           metal
atom_style      atomic
boundary        p p f

lattice         fcc 3.615
region          slab block 0 8 0 8 0 6
create_box      1 slab
create_atoms    1 slab
mass            1 63.546

# 위쪽에 진공 영역 추가 (change_box)
change_box      all z final 0.0 60.0

H. 패턴 C: 분자 시스템

1. 데이터 파일을 읽는다.
2. 힘장 정의는 별도 파일에서 include 로 읽는다.

units           real
atom_style      full

read_data       system.data
include         ff_opls.in   # 힘장 정의는 별도 파일에

5. 종료

B. 후속 작업

1. 응용 단계에서는 패턴 B와 C를 합쳐 "결정 슬랩 + 그 위의 분자 시스템"을 만든다. 자세한 내용은 Cu 응용 시리즈에 있다.