QuantumATK P-2019.03新版发布

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更新概要 密度泛函理论方法更新 材料性质分析模块新功能 动力学计算更新 计算性能提升 重新设计的计算脚本生成工具 全面提升的二维数据作图工具 其他更新  密度泛函理论方法更新 在平面波和LCAO基组的DFT计算中采用SCAN MetaGGA泛函,极大的提升了GGA和LDA在各种体系中的计算效果 Strongly Constrained and Appropriately Normed semi-local density functional 大幅改进能量计算(与LDA和GGA相比) 与完全非局域杂化泛函得到一样精度的结果,但是大大节省计算成本【[G.-X. Zhang et al., New J. Phys. 20, 063020 (2018)]】 可用于LCAO和PlaneWave计算 可以用于各种块材计算分析:优化结构、动力学模拟、动力学矩阵、哈密顿量导数、点缺陷分析、磁各向异性等等  平面波计算新增对多种材料性质分析工具的支持 光学谱,有效能带,投影能带(Fat Bandstructure),投影态密度、本征值 PlaneWave现在和LCAO支持的相同类型投影:自旋(上/下),自旋(x/y/z),原子位,原子组标签、元素、壳层、轨道等 使用Kerker预处理工具改进使用平面波DFT对片层(Slab)结构计算的收敛性 HSE杂化泛函与非共线/自旋轨道耦合联合使用 HSE杂化泛函计算速度提升 GGA PseudoDojo模守恒赝势现在支持非共线自旋轨道耦合;新增PseudoDojo LDA赝势 PAW方法:Projector-Augmented Wave method 可以使用比模守恒赝势更低的波函数截断(NC:30-40Ha;PAW:20Ha),大大提高计算速度 可以计算:总能、力、能带、态密度、声子能带和态密度、振动模式动力学矩阵、费米面、化学势、有效质量,等等 支持自旋极化计算 可选Generalized Davidson(默认)或PPCG方法解本征值 全面支持MPI并行 PAW数据:GPAW(默认)和JTH(包含镧系元素) 材料性质分析模块新功能 磁各向异性能量(MAE) 使用功能强大的study […]

QuantumATK亮点文章:Janus 二维材料用于高效光电池器件(Nano Lett. 2018)

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之前的文章(链接)介绍了在原子尺度上模拟光电池器件时考虑温度效应的方法[1],最近这种方法又被用于一种新的堆叠 Janus 光电池器件[2]。基于最新发现的二维材料MoSSe的超薄(0.5-1nm)器件可以产生的光电流和外量子效率(EQE)比 20-40 倍厚的硅基器件还要大。 这类 Janus 过渡金属二硫族化合物(TMD)是一种双侧不对称材料,跨平面的不对称性在二维材料平面的两侧产生了一个偶极,这个偶极可以多层堆叠。这样得到的“p–n结”可以用于分离在底层和顶层产生的电子(e-)和空穴(h+)载流子,载流子分别进入两侧的石墨烯电极中产生光电流。至关重要的是,石墨烯不会像金属电极一样屏蔽这种跨层的偶极。 使用 QuantumATK 的图形界面可以基于 TMD 创建堆叠Janus光电池器件。QuantumATK的第一原理DFT和DFT-NEGF 方法、光电流计算模块等可以用于计算能带、态密度、电子透射、输运通道、光电流密度等各种重要性质。文章报道的 Janus 光电池器件可以产生的光电流和外量子效率(EQE)比 20-40 倍厚的硅基器件还要大。此外作者还注意到,由于偶极的堆叠影响,器件在光子能量小于单层 Janus MoSSe 的带隙时也能产生光电流。作者建议也许可以使用 MoSSe Janus 层与硅薄膜结合来提高硅对低能量光子的吸收效果。作者还建议可以在光电应用领域里研究其他 Janus 二维材料(例如 CrSSe、ZrSSe 等)。 相关教程和讲座 文章中所用方法都在QuantumATK O-2018.06之后的版本实现,详见: Webinar on accurate atomistic simulations of solar-cell devices including temperature effects Tutorial on the photocurrent in a silicon p-n junction Tutorial on electron transport […]

ADF Highlight:PDMS-PEG团聚体中缺电子Pt1(0)形成机理(Nature Comm.,2019)

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文献资料:Kairui Liu, Guangjin Hou, Jingbo Mao, Zhanwei Xu, Peifang Yan, Huixiang Li, Xinwen Guo, Shi Bai & Z. Conrad Zhang, Genesis of electron deficient Pt1(0) in PDMS-PEG aggregates, Nature Communicationsvolume 10, Article number: 996 (2019) 虽然载体表面稳定单原子的报道已经屡见不鲜,但在液体介质中合成原位还原的稳定弱配位分散金属原子更具挑战性。本文报道了在液体PDMS-PEG中还原H2PtCl6,形成单核缺电子Pt1(0) (Pt1@PDMS-PEG),该还原反应通过紫外-可见光谱、远红外光谱和X-射线光电子能谱得到证实。 CO红外光谱、195Pt与13C核磁共振谱证实Pt1(0)以伪八面体结构(R1OR2)2Pt(0)Cl2H2存在,其中R1、R2 分别是H、C或Si基团。通过比较实验与理论计算的195Pt核磁共振谱,验证了弱配位结构(R1OR2)2Pt(0)Cl2H2以及缺电子Pt1(0) 。质子态H+与Cl−形成类似HCl的弱配位,用碱中和生成铂纳米粒子。Pt1@PDMS-PEG在石蜡氢化硅烷化中表现出超高的活性以及最终加成物选择性。 NMR位移计算使用ADF,利用ZORA方法考虑重元素Pt的相对论效应。

ADF Highlight:修正氢键的次静电相互作用模型(JACS,2019)

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文献资料:Stephanie C. C. van der Lubbe, Francesco Zaccaria, Xiaobo Sun, and Célia Fonseca Guerra, Secondary Electrostatic Interaction Model Revised: Prediction Comes Mainly from Measuring Charge Accumulation in Hydrogen-Bonded Monomers, J. Am. Chem. Soc., Just Accepted Manuscript, 10.1021/jacs.8b13358 次静电相互作用(SEI)模型常用于预测和解释自组装体系的相对氢键强度。该模型将氢键的作用机制简化为相互作用的点电荷,但实验结果往往与该模型的预测一致。这一模型是如何预测的?本文研究了两个四重氢键异构体DDAA-AADD和DADA-ADAD。 结果表明,当质子给体D(电子供体)和质子A(电子受体)以DDAA的方式聚在一起时,前沿原子周围的电荷积累比DADA的方式要大。这种电荷积累增强D的正电性以及A的负电性,使得DDAA的静电作用和共价作用都得到增强。因此,该模型之所以有效,是因为它为氢键单体中的电荷积累提供了度量。这为超分子化学家们调控氢键强度、控制自组装体系性能提供了理论依据。 本文使用ADF中的EDA方法分析了氢键键能的构成,静电势分布、前线分子轨道等信息。

ADF Highlight:卤键在超分子动力学过程中的催化作用(Nature Comm.,2019)

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文献资料:Patrick M. J. Szell, Scott Zablotny & David L. Bryce, Halogen bonding as a supramolecular dynamics catalyst, Nature Communications volume 10, Article number: 916 (2019) 动力学过程对催化剂、酶、主-客复合物、分子机器等功能分子有重要影响。本文通过氘核磁共振弛豫实验,展示了2,3,5,6-四甲基吡嗪共晶中,卤键对甲基转动的催化作用。作者观察到,与纯的2,3,5,6-四甲基吡嗪共晶相比,卤键共晶中,甲基转动的活化能垒平均下降了56%,氢键共晶下降了36%。 密度泛函计算的结果表明,对位交叉构象不稳定,邻位交叉构象却非常稳定,共同降低了能垒,导致了卤键超强的催化作用。此外,计算结果还表明,卤键的催化能力可能是可调的,卤键供体作用越强,催化作用越强。 本文DFT计算使用AMS中的ADF模块完成,分子模型从晶体结构中提取。因为存在分子间弱相互作用,因此使用Grimme3 BJDAMP色散修正泛函(即-D3(BJ)类泛函),使用ZORA方法考虑相对论效应对重元素的影响。甲基转动过程,使用其中Linear Transit功能完成,每一步转动2.5°。

QuantumATK亮点文章:理论计算与实验观测结合研究分子器件

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单分子器件一直是量子输运研究的前沿,如何可控的制备和测量单分子的导电性一直是实验上的巨大挑战,而基于DFT-NEGF方法的理论计算则为实验结果的解释、理解分子器件构效关系提供了有力的工具。2018年,北京大学的郭雪峰老师课题组发表的两篇文章分别报道了在不同的外加影响(电场、溶剂、温度)下分子结构变化和多个导电状态的关系。 这两项工作中的理论计算部分由中国科技大学李星星博士使用QuantumATK完成,以共同第一作者身份发表在《自然·通讯》杂志和《德国应用化学》杂志上。 《自然·通讯》[Nat. Commun. 9, 807 (2018)] 报道了基于实验研究不同溶剂、温度下的脲基嘧啶酮四重氢键二聚体的的电学多态信号, 运用理论计算揭示导致电导发生变化的本质原因是由电致氢迁移和内酰胺–内酰亚胺互变异构引起的异构化过程。相关新闻报道见北大官网:《自然•通讯》发表郭雪峰课题组在分子间作用力动力学研究中的重要进展)。 《德国应用化学》[Angew. Chem. Int. Ed. 57, 14026 (2018)] 报道了基于实验观测三苯基和六苯基单分子结在栅压下的双极电荷传输,运用理论计算揭示双极电荷传输特性是由于当栅极电压从负变为正时主导电子传输轨道从HOMO变为LUMO所致。新闻报道见北大官网:化学学院郭雪峰课题组在单分子场效应晶体管研究中取得重要进展)。 相关教程 所有文中所涉及的计算方法均在QuantumATK中提供,详见以下教程: 相关的中文教程列表 分子器件模拟 英文教程 Four tutorials on molecular electronics Tutorial on studying the electron transport properties of a graphene nanoribbon with a distortion 参考文献 Nat. Commun. 9, 807 (2018) Angew. Chem. Int. Ed. 57, 14026 (2018) 立即试用 […]

ADF Highlight:有机/无机配体协同保护的银纳米团簇(JACS, 2019)

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文献资料:shan-shan zhang, Fahri Alkan, Hai-Feng Su, Christine M. Aikens, Chen-Ho Tung, and Di Sun, [Ag48(C≡CtBu)20(CrO4)7]: An Atomically Precise Silver Nanocluster Co-Protected by Inorganic and Organic Ligands, J. Am. Chem. Soc., 2019 配体的精细选择对合成金属纳米团簇,具有重要意义。使用硫醇、炔基、膦或它们的组合,作为保护金属纳米团簇的配体,是最为广泛的。而无机氧阴离子在这一领域几乎被忽视。本文作者合成了第一个CrO42-/tBuC≡C-共配的Ag48纳米团簇(SD/Ag48,SD=SunDi),并用单晶X射线衍射(SCXRD)对其结构进行了表征。 SD/Ag48的伪五重对称金属骨架呈核壳结构,由外部Ag25壳包围Ag23圆筒组成。在SD/Ag48表面,前所未见地出现了无机(CrO42-)和有机(TBUC≡C-)配体共存的现象。无机CrO42-阴离子在银纳米团簇的构建中起着重要的作用:(1)钝化Ag23内核;(2)连接核与壳;(3)保护Ag25壳层。该纳米团簇属于14电子超原子体系,从可见区到紫外区呈现连续的类分子吸收带。本工作不仅为银纳米团簇的合成提供了一种新的配体策略,而且也为研究CrO42-对纳米银团簇形状的控制提供了新的思路。 本文使用ADF计算了该结构的电子结构,以及紫外可见吸收光谱。使用ZORA方法中的标量相对论方法考虑相对论效应的影响。

[Au32(Ph3P)8(dpa)6]2+

ADF Highlight:金属配体相互作用形成稳定“金富勒烯”(Angew.Chem. Int. Ed., 2019)

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文献资料:Shang-Fu Yuan Cong-Qiao Xu Jun Li Quan-Ming Wang, Ligand‐Protected “Golden Fullerene”: the Dipyridylamido Au32 8+ Nanocluster, Angew.Chem. Int. Ed., 10.1002/anie.201901478 通过吡啶胺和三苯基膦作为保护剂,合成了“金富勒烯”Au32团簇。单晶X射线结构分析表明,该金纳米团簇[Au32(Ph3P)8(dpa)6](SbF 6)2(Hdpa=2,2′-二吡啶胺),具有S6群对称性,内核为Au328+。量子化学研究阐明了该簇结构的特殊稳定性源于金属-配体相互作用。 量子化学计算使用Amsterdam Modeling Suite(简称AMS)中的ADF模块完成。使用PBE泛函,为了节省计算量,Au元素使用TZP基组、所有其他元素都使用DZ基组,Au元素4f,P元素2P,C、N元素1s及其以内的电子冻结。一般而言,Au元素的相对论效应几乎是所有元素中最强烈的,相对论效应使用ZORA方法中的标量相对论(Scalar选项)。为了简化分子模型,计算使用PH3替代Ph3P。由于ADF中不包含S6群,因此使用其子群Ci群,优化之后得到的结构非常接近S6群。 本文也计算了原子电荷,包括Mulliken电荷布居、Hirshfeld、Voronoi以及多极导出电荷(MDC)。紫外-可见吸收谱使用LB94泛函计算得到,相对其他泛函,LB94具有较好的描述空轨道的能力。

BAND Highlight:费托反应研究最新进展(Nature Comm.,2019)

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文献资料:Jingxiu Xie, Pasi P. Paalanen, Tom W. van Deelen, Bert M. Weckhuysen, Manuel J. Louwerse & Krijn P. de Jong, Promoted cobalt metal catalysts suitable for the production of lower olefins from natural gas, Nature Communications, volume 10, Article number: 167 (2019) 近年来,由于天然气产量激增,化学原料需求向较轻的碳氢化合物,特别是甲烷转移。合成气(CO和H2)转化的效率,关键取决于催化剂对甲烷和二氧化碳产生的抑制能力。本文作者设计了一种Co/Mn/Na/S催化剂,该催化剂的水-气转换活性可以忽略不计,烃的产物谱也偏离了Anderson-Schulz-Flory分布。在240 °C和1 bar压强下,C2-C4烯烃选择性为54%。10 bar压强下,低碳烯烃和燃料的选择性分别为30%和59%。该催化剂由直径约10 nm的处于hcp金属相Co纳米颗粒组成。作者认为Na与S在Co表面作为电子促进剂,产生协同效应,从而提高了对低碳烯烃与燃料的选择性,同时也大大减少了甲烷和二氧化碳的生成。 文中使用AMS软件中的BAND模块计算了Na2S和Na2O在Co(0001)表面的成键结构。Na2O(图a)与Na2S(图b)在Co表面的结合方式非常相似。只不过O原子在一个亚表面钴原子上方,而S原子在一个空位上方。原包外的原子由较小的球表示,蓝色表示Co,橙色表示Na,黄色表示S,红色表示O。 由于此处研究的是表面吸附,因此使用了色散修正泛函rPBE-D3。其他参数: 基组:TZP与Small冻芯基组 Numerical Quality:Normal k-space:Good SCF收敛阈值:5 × 10−4 Hartree 结构优化梯度阈值:0.001 Hartree/Å 单胞的晶格常数也进行了再优化,得到了a = 2.43 (实验2.51 )和c = 3.91 (实验4.07 )。(0001)面厚度为6原子层,约为12Å ,底部两层原子被冻结,并使用最小基组SZ,大冻芯,Numerical Quality:设置为Basic。表面原包包含4 × 4个原子。为不同区域的原子,设置不同基组,参考中文教程:对同一种元素的不同原子指定不同基组 BAND作为新兴第一性原理计算软件,在材料化学领域具有非常鲜明的特点: 由于BAND中的表面模型为真实的二维模型,因此不再需要人为地添加真空层,也不需要进行偶极矫正,对表面吸附计算的可靠度与效率高于平面波程序。 擅长成键分析,例如表面成键的键能分析(pEDA)、共价键成键机理研究(NOCV),参考案例:硅表面醚吸附-计算表面化学与分子计算化学共同点的最佳案例(Angew. Chem. Int. Ed., 2017) […]

ADF Highlight:光学透明n型材料-氟化锗纳米笼及其内嵌金属富勒烯衍生物(JACS, 2019)

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文献资料:Leighton O. Jones, Martín A. Mosquera, Bo Fu, George C. Schatz, Mark A. Ratner, and Tobin J. Marks, Germanium Fluoride Nanocages as Optically Transparent n Type Materials and their Endohedral Metallofullerene Derivatives, J. Am. Chem. Soc., Just Accepted Manuscript 碳基、硅基n型材料的自由基阴离子往往稳定性较差,本文通过DFT计算,发现可以利用重元素锗形成纳米笼型分子来克服这一问题。加入氟取代基,电子亲合性现住地提高到2.5-5.5eV左右,而HOMO-LUMO能量差则在1.6~3.2eV之间。LUMO包裹着整个笼形结构,导致注入的电子将被大范围离域化,这与富勒烯受体的情况非常相似。 通过探测GenFn无机笼的激发态,发现这种结构对紫外可见光是透明的。计算得到的电容、一阶极化率和介电常数,与饱和低聚物和一些扩展含π键有机化合物(偶氮苯)具有相同的数量级。 另外,计算结果表明:富勒烯型内嵌异构体,即带有内部取代基或客体原子的笼型结构,比外掺型结构稳定得多(能量低206.45kcal/mol)。内嵌异构体He/Li@F8@Ge60F52笼型结构,比外嵌异构体He/Li@Ge60F60稳定得多,能量分别低182.46 kcal/mol、49.22kcal/mol。形成内嵌结构He@F8@Ge60F52放热量为10.4kcal/mol。 这些材料可用于n型半导体与透明电极,在新型储能方式方面大有潜力。