bsuirДоклады БГУИРDoklady BGUIR1729-76482708-0382БГУИР10.35596/1729-7648-2025-23-5-83-92bsuir-4211Research ArticleСтатьиКросс-платформенный анализатор зонной структуры материалов для пакета квантово-механического моделирования OpenMXCross-Platform Material Band Structure Analyzer for the OpenMX Quantum Mechanical ModelingБагловА. В.BaglovA. V.

Баглов Алексей Викторович, ст. науч. сотр. науч.-иссл. лаб. энергоэффективных материалов и технологий; науч. сотр. Центра наноэлектроники и новых материалов, 

220030, Минск, просп. Независимости, 4.

Тел.: +375 17 293-53-55.

Aleksey V. Baglov, Senior Researcher at the Laboratory of Energy Efficient Materials and Technologies; Researcher at the Center of Nanoelectronics and Advanced Materials,

4, Nezavisimosti Ave., Minsk, 220030.

Tel.: +375 17 293-53-55.

baglov@bsu.byХорошкоЛ. С.KhoroshkoL. S.

Хорошко Л. С., канд. физ.-мат. наук, доц., вед. науч. сотр. науч.-иссл. лаб. энергоэффективных материалов и технологий; вед. науч. сотр. Центра наноэлектроники и новых материалов,

Минск.

Liudmila S. Khoroshko, Cand. Sci. (Phys. and Math.), Associate Professor, Leading Researcher at the Laboratory of Energy Efficient Materials and Technologies; Leading Researcher at the Center of Nanoelectronics and Advanced Materials,

Minsk.

Белорусский государственный университет; Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University; Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics2025291020252358392Copyright © Баглов А.В., Хорошко Л.С., 20252025Баглов А.В., Хорошко Л.С.Baglov A.V., Khoroshko L.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.bsuir.by/jour/article/view/4211

В статье описаны архитектура и функциональность кросс-платформенного анализатора зонной структуры для обработки результатов расчета популярного специализированного пакета моделирования свойств материалов OpenMX. Продемонстрирована его работа на примере тестового задания. Представлены коммерческие пакеты для анализа и обработки данных, получаемых в программах для квантово-механического моделирования материалов. Показано, что пакету OpenMX недостает программы-анализатора для обработки результатов расчетов строения зонной структуры материалов. Рассмотрены практические задачи анализа расчетов зонной структуры материалов и функциональность такой программы, сформулированы требования к ее реализации. Предлагаемый анализатор по общим временным затратам не уступает по производительности существующему аналогу, при этом имеет более широкий функционал, включая базовый анализ и постобработку данных с возможностью опциональной настройки выходного файла, сохраняемого в удобном текстовом формате. Данная разработка перспективна в контексте универсализации для обеспечения совместимости с другими широко применяемыми коммерческими пакетами квантово- механического моделирования.

The article describes the architecture and functionality of a cross-platform band structure analyzer for processing the calculation results of the popular specialized OpenMX material properties modeling package. Its operation is demonstrated using a test task as an example. Commercial packages for analyzing and processing data obtained in programs for quantum mechanical modeling of materials are presented. It is shown that the OpenMX package lacks an analyzer program for processing the results of calculations of the structure of materials. Practical problems of analyzing the calculations of the band structure of materials and the functionality of such a program are considered, and requirements for its implementation are formulated. The proposed analyzer is not inferior in performance to the existing analog in terms of overall time costs, while it has a wider functionality, including basic analysis and post-processing of data with the ability to optionally customize the output file saved in a convenient text format. This development is promising in the context of universalization to ensure compatibility with other widely used commercial quantum mechanical modeling packages.

электронная структурамоделированиеэнергетические зоныанализ данныхпостобработкапрограммированиеС++GnuplotOpenMXelectronic structuremodellingenergy bandsdata analysispostprocessingprogrammingC++GnuplotOpenMXИсследования поддержаны Белорусским республиканским фондом фундаментальных исследований (проект Т23УЗБ-111), выполнены в рамках заданий 2.14.3 (№ госрегистрации 20212445) и 2.25 (№ госрегистрации 20240603) Государственной программы научных исследований «Материаловедение, новые материалы и технологии» на 2021–2025 годы. Авторы благодарят А. В. Козич и А. С. Сиротюка за их посильный вклад в тестирование разработанного программного обеспечения.The authors thank A. V. Kozich and A. S. Sirotyuk for their contribution to testing the developed software.ReferencesQuantum ESPRESSO: A Modular and Open-Source Software Project for Quantum Simulations of Materials / P. Giannozzi [et al.] // Journal of Physics: Condensed Matter. 2009. Vol. 21, No 39. https://doi.org/10.1088/09538984/21/39/395502.Giannozzi P., Baroni S., Bonini N., Calandra M., Car R., Cavazzoni C., et al. (2009) Quantum ESPRESSO: A Modular and Open-Source Software Project for Quantum Simulations of Materials. Journal of Physics: Condensed Matter. 21 (39). https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502.Kresse, G. Efficient Iterative Schemes for ab Initio Total-Energy Calculations Using a Plane-Wave Basis Set / G. Kresse, J. Furthmüller // Physical Review B. 1996. Vol. 54, No 16. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169.Kresse G., Furthmüller J. (1996) Efficient Iterative Schemes for ab Initio Total-Energy Calculations Using a Plane-Wave Basis Set. Physical Review B. 54 (16). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169.First Principles Methods Using CASTEP / S. J. Clark [et al.] // Zeitschrift für Kristallographie-Crystalline Materials. 2005. Vol. 220, No 5–6. P. 567–570. https://doi.org/10.1524/zkri.220.5.567.65075.Clark S. J., Segall M. D., Pickard C. J., Hasnip P. J., Probert M. I. J., Refson K., et al. (2005) First Principles Methods Using CASTEP. Zeitschrift für Kristallographie-Crystalline Materials. 220 (5–6), 567–570. https://doi.org/10.1524/zkri.220.5.567.65075.Chemistry with ADF / G. Te Velde [et al.] // Journal of Computational Chemistry. 2001. Vol. 22, No 9. P. 931–967. https://doi.org/10.1002/jcc.1056.Te Velde G., Bickelhaupt F. M., Baerends E. J., Fonseca Guerra C., Van Gisbergen S. J. A., Snijders J. G., et al. (2001) Chemistry with ADF. Journal of Computational Chemistry. 22 (9), 931–967. https://doi.org/10.1002/jcc.1056.QuantumATK: An Integrated Platform of Electronic and Atomic-Scale Modelling Tools / S. Smidstrup [et al.] // Journal of Physics: Condensed Matter. 2019. Vol. 32, No 1. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab4007.Smidstrup S., Markussen T., Vancraeyveld P., Wellendorff J., Schneider J., Gunst T., et al. (2019) QuantumATK: An Integrated Platform of Electronic and Atomic-Scale Modelling Tools. Journal of Physics: Condensed Matter. 32 (1). https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab4007.Computational Materials Engineering: Recent Applications of VASP in the MedeA® Software Environment / E. Wimmer [et al.] // Journal of the Korean Ceramic Society. 2016. Vol. 53, No 3. P. 263–272.Wimmer E., Christensen M., Eyert V., Wolf W., Reith D., Rozanska X., et al. (2016) Computational Materials Engineering: Recent Applications of VASP in the MedeA® Software Environment. Journal of the Korean Ceramic Society. 53 (3), 263–272. https://doi.org/10.4191/kcers.2016.53.3.263.Ozaki, T. Variationally Optimized Atomic Orbitals for Large-Scale Electronic Structures / T. Ozaki // Physical Review B. 2003. Vol. 67. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.67.155108.Ozaki T. (2003) Variationally Optimized Atomic Orbitals for Large-Scale Electronic Structures. Physical Review B. 67. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.67.155108.Ozaki, T. Numerical Atomic Basis Orbitals from H to Kr / T. Ozaki, H. Kino // Physical Review B. 2004. Vol. 69. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.195113.Ozaki T., Kino H. (2004) Numerical Atomic Basis Orbitals from H to Kr. Physical Review B. 69. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.195113.Ozaki, T. Efficient Projector Expansion for the ab Initio LCAO Method / T. Ozaki, H. Kino // Physical Review B. 2005. Vol. 72. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.045121.Ozaki T., Kino H. (2005) Efficient Projector Expansion for the ab Initio LCAO Method. Physical Review B. 72. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.045121.Baglov, A. V. Atom Species Energy Dependence on Magnetic Configurations in the Perovskite Yttrium Orthoferrite / A. V. Baglov, L. S. Khoroshko // Doklady BGUIR. 2021. Vol. 19, No 8. P. 63–67. https://doi.org/10.35596/1729-7648-2021-19-8-63-67.Baglov A. V., Khoroshko L. S. (2021) Atom Species Energy Dependence on Magnetic Configurations in the Perovskite Yttrium Orthoferrite. Doklady BGUIR. 19 (8), 63–67. https://doi.org/10.35596/1729-76482021-19-8-63-67.Baglov, A. V. Crystal Structure and Electronic Properties of Rhenium Disulfide / A. V. Baglov, L. S. Khorosh ko // Journal of Applied Spectroscopy. 2022. Vol. 89. P. 860–864. https://doi.org/10.1007/s10812-02201438-x.Baglov A. V., Khoroshko L. S. (2022) Crystal Structure and Electronic Properties of Rhenium Disulfide. Journal of Applied Spectroscopy. 89, 860–864. https://doi.org/10.1007/s10812-022-01438-x.Evolution of Structural and Electronic Properties Standardized Description in Rhenium Disulfide at the BulkMonolayer Transition / A. V. Baglov [et al.] // Heliyon. 2024. Vol. 10. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e28646.Baglov A., Khoroshko L., Zhoidzik A., Dong M., Weng Q., Kazi M. et al. (2024) Evolution of Structural and Electronic Properties Standardized Description in Rhenium Disulfide at the Bulk-Monolayer Transition. Heliyon. 10. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e28646.Electronic Structure of Bismuth Ferromanganite BiFe0,5Mn0,5O3 / A. V. Baglov [et al.] // Semiconductors. 2024. Vol. 58, No 13. P. 1054–1059. https://doi.org/10.1134/S1063782624700040.Baglov A. V., Khoroshko L. S., Silibin M. V., Karpinsky D. V. (2024) Electronic Structure of Bismuth Ferromanganite BiFe0.5Mn0.5O3. Semiconductors. 58 (13), 1054–1059. https://doi.org/10.1134/S1063782624700040.Баглов, А. В. Исследование структурных и электронных свойств SmGaGe2O7 методами из первых принципов / А. В. Баглов, Л. С. Хорошко // Неорганические материалы. 2023. Т. 59, № 1. С. 3–9. https://doi.org/10.31857/S0002337X23010037.Baglov A. V., Khoroshko L. S. (2023) Structural and Electronic Properties of SmGaGe2O7 Studied by First Principles Methods. Inorganic Materials. 59 (1), 1–7. https://doi.org/10.1134/S002016852301003X (in Russian).Бонч-Бруевич, В. Л. Физика полупроводников / В. Л. Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников; 2-e изд. перераб. и доп. M.: Изд-тво Наука, 1990.Bonch-Bruevich V. L., Kalashnikov S. G. (1990) Physics of Semiconductors. Moscow, Nauka Publ. (in Russian).Yu, P. Y. Fundamentals of Semiconductors. Physics and Materials Properties / Y. P. Yu, M. Cardona; 4th Edition. Germany: Springer Ltd, 2010.Yu P. Y., Cardona M. (2010) Fundamentals of Semiconductors. Physics and Materials Properties. Germany, Springer Ltd Publ.Raymond, E. S. Basics of the Unix Philosophy. The Art of Unix Programming / E. S. Raymond // AddisonWesley Professional. 2004.Raymond E. S. (2004) Basics of the Unix Philosophy. The Art of Unix Programming. Addison-Wesley Professional.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.