【研究ノート Ep.1】LLZO–Li 界面モデル構築と DOS/PDOS 取得（Quantum ESPRESSO）

Quantum ESPRESSO / DOS / PDOS / LLZO / Li metal interface

この記事の目的：LLZO–Li 界面モデルの電子状態を解析する第一歩として、
全元素・全軌道の寄与（PDOS）を E − E_F 軸で可視化し、
「どの元素（どの軌道）が価電子帯上部・伝導帯下部を支配しているか」を把握します。
これは、界面でのバンド整列（Band Alignment）や電子注入の起こりやすさの見積り、ひいては デンドライト成長の駆動因子を議論するための基礎データになります。

つまり、「LLZO のどの原子が電子を運びやすいか」を調べることで、リチウム金属と接したときにデンドライトが伸びる／伸びない原因を探る第一歩となります。

0. 環境と準備

QE 7.4.1（GPU 版で SCF/NSCF、PostProc はCPUビルド）
OpenBLAS/FFTW（pp は CPU スレッドで可）
インプット/アウトプットはプロジェクト直下 ./tmp/if_gap3p0.save/

PostProc（pp）の最小ビルド

# 例：ソース直下で CMake ビルド
cd /home/dl/src/q-e-qe-7.4.1
mkdir -p build-pp-cmake && cd build-pp-cmake
cmake ../ -DQE_ENABLE_OPENMP=ON -DQE_ENABLE_CUDA=OFF -DQE_ENABLE_CUDA_HOST=OFF \
      -DQE_ENABLE_LIBXC=OFF -DQE_ENABLE_SCALAPACK=OFF -DQE_ENABLE_MPI=OFF
cmake --build . --target pp -j$(nproc)

# 実行パスを追加
export PATH="/home/dl/src/q-e-qe-7.4.1/build-pp-cmake/bin:$PATH"

1. 界面モデル（要旨）

界面モデルの構成（LLZO 基板 + Li 層 + 真空、格子合わせの簡易最適化など）は Ep.0 の方針に従います。
本ノートでは計算レシピの最短経路に集中し、詳細な構造パラメータは付録/レポで提供します。

2. SCF（初期密度）

# scf.in（抜粋）
&control
  calculation='scf', prefix='if_gap3p0', outdir='./tmp'
/
&system
  ecutwfc=40, ecutrho=320, occupations='smearing', smearing='mp', degauss=0.05
/
K_POINTS automatic
2 2 2  0 0 0
ATOMIC_SPECIES ...（略）
ATOMIC_POSITIONS ...（略）
CELL_PARAMETERS ...（略）

pw.x < scf.in > scf.out

3. NSCF（バンド/PDOS 用の波動関数）

# nscf_k444.in（抜粋）
&control
  calculation='nscf', prefix='if_gap3p0', outdir='./tmp'
/
&system
  occupations='smearing', smearing='mp', degauss=0.01
/
K_POINTS automatic
4 4 4  0 0 0

pw.x < nscf_k444.in > nscf_k444.out

4. DOS / PDOS の取得

DOS

# dos.in
&DOS
  outdir='./tmp', prefix='if_gap3p0',
  fildos='dos_k444_sm001.dat', DeltaE=0.01
/
dos.x < dos.in > dos.out

PDOS

# projwfc.in
&PROJWFC
  outdir='./tmp', prefix='if_gap3p0',
  DeltaE=0.01, filpdos='pdos_k444_sm001'
/
projwfc.x < projwfc.in > projwfc.out

5. 元素別に合算して E−E_F へシフト（ワンコマンド）

( 
  set -euo pipefail; shopt -s nullglob
  EF=$(awk '/the Fermi energy is/ {ef=$5} END{print ef}' nscf_k444.out)
  sum(){ local L=$1 P=$2; mapfile -d '' F < <(find . -maxdepth 1 -name "$P" -print0)
        awk '/^#/ {next} NF>=2 {s[$1]+=$2} END{for(e in s) printf "%12.6f %15.8e\n",e,s[e]}' "${F[@]}" | sort -g > "PDOS_${L}.dat"
        awk -v EF="$EF" '{printf "%12.6f %15.8e\n",$1-EF,$2}' "PDOS_${L}.dat" > "PDOS_${L}_EF.dat"; }
  sum Li 'pdos_k444_sm001.pdos_atm#*(Li)_wfc#*'
  sum O  'pdos_k444_sm001.pdos_atm#*(O)_wfc#*'
  sum Zr 'pdos_k444_sm001.pdos_atm#*(Zr)_wfc#*'
  sum La 'pdos_k444_sm001.pdos_atm#*(La)_wfc#*'
)