QuantumATK功能详细列表

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概述

QuantumATK 是通用的原子级材料与器件模拟平台,囊括了众多的计算方法和模型,可以用于研究电子态结构、输运问题,进行分子动力学计算。

  • QuantumATK 可以计算纳米结构和材料的电子、磁学、光学、力学、热学等多种性质。尤其是QuantumATK 可以计算纳米器件的电子输运特性,既包括弹道隧穿情况,也可以考虑电子-声子散射计算非弹性电子输运。QuantumATK 还包含了先进的分子动力学计算引擎。

  • NanoLab 为用户提供了方便易用的图形用户界面,可以轻松的完成各种任务,Python 的编程接口则允许有经验的用户实现复杂的计算流程或进行高级的数据分析。NanoLab 还可以单独使用,因为 NanoLab 还为 VASP、LAMMPS、Quantum Espresso 等其他代码和程序提供接口。用户可以使用 NanoLab 进行几何结构模型构建、设置计算参数,读入、分析结构。用户还可以自己编程设计自己的接口,实现文件格式交换、数据处理作图、设计新型结构,等等。

以下为QuantumATK最新版的完整功能列表:

  • DFT-LCAO计算引擎
  • DFT-PlaneWave计算引擎
  • SemiEmpirical计算引擎
  • ForceField计算引擎
  • 离子动力学(支持LCAO、PlaneWave、SemiEmpirical和ForceField计算)
  • 泊松方程求解方法(用于LCAO、PlaneWave 和 SemiEmpirical计算)
  • 计算性能选项(LCAO、PlaneWave 和 SemiEmpirical)
  • 电子态结构分析(使用LCAO、PlaneWave和SemiEmpirical)
  • 其他电子态分析(使用LCAO和SemiEmpirical)
  • 特别功能(LCAO、PlaneWave、SemiEmpirical)
  • 非平衡态格林函数(NEGF)方法(使用 LCAO 或 SemiEmpirical)
  • 电子-声子相互作用(LCAO、SemiEmpirical)
  • NanoLab(图形用户界面)
  • NanoLab Links(支持其他计算代码)
  • Python脚本编程和自动化
  • 平台支持

QuantumATK一直在快速持续开发,不同版本的功能差异和更新参见:


DFT-LCAO计算引擎

  • 基于密度泛函理论(DFT)和原子轨道线性组合(LCAO)基组的计算引擎
  • 数值轨道基组
    • 对多数元素优化过的基组:https://molmod.ugent.be/deltacodesdft
  • 模守恒 Troullier-Martins 赝势
    • FHI/SG15/PseudoDojo 势,用于周期表几乎全部元素,很多元素支持半芯势
    • PseudoDojo和SG15 势是全相对论的
  • 超过 300 种 LDA/GGA/MGGA 交换相关泛函(libXC)
  • 用于半导体和绝缘体精确带隙计算的方法
    • MetaGGA
    • DFT+1/2
    • 经验的“赝势投影算符移动”(Pseudopotential Projector Shift,PPS)方法(内含 Si 和 Ge 的参数)
  • 范德华力模型(DFT-D2 和 DFT-D3)
  • 非共线、限制性和非限制性的自旋极化计算
  • 自旋-轨道耦合
  • Hubbard U 项( LDA 或 GGA),可以自旋区分
    • “Dual”,“on-site”,“shell-wise” 方法
  • Counterpoise 校正基组重叠误差(BSSE)
  • Ghost 原子(真空基组),更精确的描述表面和空隙
  • 虚晶近似(Virtual Crystal Approximation,VCA)
  • 解析计算力和张力
  • 参见:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/atk-dft/

DFT-PlaneWave计算引擎

  • 基于平面波基组的 DFT 计算引擎
  • 针对所有元素都有默认的网格截断能设置
  • 支持杂化泛函(使用新颖的 Adaptively Compressed Exchange(ACE)算符方法,比传统方计算性能更佳)
  • 模守恒 Troullier-Martins 赝势
    • FHI/SG15/PseudoDojo势,用于周期表几乎全部元素,很多元素支持半芯势
    • PseudoDojo 和 SG15 势是全相对论的
  • 超过 300 种 LDA/GGA/MGGA 交换相关泛函(libXC)
  • 用于半导体和绝缘体精确带隙计算的方法
    • MetaGGA
    • DFT+1/2
    • 经验的“赝势投影算符移动”(Pseudopotential Projector Shift,PPS)方法(内含 Si 和 Ge 的参数)
  • 范德华力模型(DFT-D2 和 DFT-D3)
  • 非共线、限制性和非限制性的自旋极化计算
  • 自旋-轨道耦合
  • 本征值求解
    • 默认使用 Generalized Davidson method – 稳定强壮的方法
    • 还包含 Projected Preconditioned Conjugated Gradient(PPCG)算法,用于计算厄米矩阵的很多极端的本征对(首个包含该算法的代码,参见:https://arxiv.org/abs/1407.7506 & https://doi.org/10.1016/j.jcp.2015.02.030),大体系并行时效果更好(单k点,多进程处理一个k点)
  • 解析计算力和张力
  • 参见:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/atk-dft-planewave/

SemiEmpirical计算引擎

  • DFTB 模型,QuantumATK 中提供30套参数,更多参数可以网站下载直接使用
  • 内置 Slater-Koster 模型,内置第四族半导体和三五族化合物合金的参数模型
    • 用户自定义 Slater-Koster 参数
  • 扩展 Huckel 模型提供超过 300 种预定义的基组,用于周期表几乎全部元素
  • 带应变体系的紧束缚模型(T. B. Boykin et al., Phys. Rev. B 81, 125202 (2010))
  • 用内置的自旋分裂参数数据库增加自旋极化项
  • 非共线自旋
  • 自旋轨道耦合(参数化方法)
  • 增加 Hartree 项,用来反映对静电场的自洽响应
  • 所有模型都采用 DFTB 方法包含来自外部数据库的原子 Hartree 项自洽响应项,可以用来进行自洽计算
  • 解析计算力和张力
  • 参见:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/atk-se/

ForceField计算引擎

  • 超过 300 种键级势/力场
    • 二体、三体势:多种版本的 Lennard-Jones、Coulomb、Stillinger-Weber、Tersoff、Brenner、Morse、Buckingham、Vessal、Tosi-Fumi,用户自定义
    • 多体势:EAM、MEAM、Finnis-Sinclair、Sutton-Chen、charge-optmized many-body(COMB)
    • 可极化势:Madden/Tangney-Scandolo,core-shell
    • ReaxFF 和 ReaxFF+ (来自 AQcomputare
    • Valence force field(VFF)模型
  • BYOP(Bring Your Own Potential)
    • Python 接口,用于添加以上任何支持类型的势(用户自己的参数或来自其他文献参数)
    • 支持将几种力场结合
      • 例如将 Stillinger-Weber 势与 Lennard-Jones 项结合来考虑范德华相互作用
      • 包含了已见于文献的势:Pedone,Guillot-Sator,Marian-Gastreich,Feuston-Garofalini,Mastsui,Leinenweber,Madden 等
  • 库仑作用解法
    • Ewald(平滑粒子网格),DSF,Debye,simple pairwise
  • 使用OpenMP多核并行(后续实现MPI并行)
  • 参见:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/atk-forcefield/

离子动力学(支持 LCAO、PlaneWave、SemiEmpirical 和 ForceField 计算引擎)

  • 准牛顿 、LBFGS 方法和 FIRE 方法优化结构和晶胞(力和张力)
    • 同时优化力和张力
    • 优化至指定的目标张力(各向同性或各向异性)
    • 前后处理步骤支持实时分析
  • 动力学矩阵计算
    • 声子能带,态密度,热输运
    • 计算并显示声子振动模式
    • 结合离子和电子部分的结果计算 Seebeck 系数和、ZT和其他热输运性质
    • 从声子态密度得到零点能和晶格自由能(对分子和块体材料使用准谐近似计算振动自由能)
    • 大晶胞使用 Wigner-Seitz 近似
  • 优化器件几何构型(可以在非零的源—漏偏压下
  • 计算过渡态、反应路径和能量
    • 使用 NEB、CI-NEB 方法,为自主开发的增强版本
    • 支持变晶胞形状和大小,模拟相变
    • 预优化路径(使用 IDPP 方法,参见:http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jcp/140/21/10.1063/1.4878664)
    • 支持中间结构的优化的并行计算,大大减少优化时间
  • 分子动力学
    • 自主开发的现代 MD 引擎
      • 可以用 DFT、半经验模型或经验力场进行计算
      • 所有恒温器、恒压器支持线性升温或降温
    • 多种恒温器与恒压器
      • NVE velocity verlet
      • NVT Nose-Hoover with chains
      • NPT with stress mask
      • NPT/NVT Berendsen
      • Martyna-Tobias-Klein恒压器
      • Langevin
    • 多种方法初始化速度
    • Python 脚本支持计算过程中分析或添加其他限制条件
  • 灵活的结构限制
    • 固定部分原子
    • 分别固定 x、y、z 坐标
    • MD 过程中固定质心
    • 限定布拉维格子(可同时设定目标应力)
    • 刚性限定原子相对位置关系
  • 部分电荷分析
  • 可视化原子速度
  • 轨迹或单个结构分析工具(同时支持导入 VASP、LAMMPS 结果分析)
    • 径向分布、角分布函数
    • 速度自相关函数
    • 局域质量密度分布
    • 配位数分析
    • 均方位移
    • 最近邻数
    • 中子散射结构因子
    • 速度/动能分布
    • 局域结构(Voronoi)
    • 中心对称性
    • 从轨迹计算声子态密度
    • 使用脚本可以方便的对超大体系的部分原子进行以上各种分析
  • 力学性质
    • 力和应力(解析 Hellmann-Feynman)
    • 弹性常数(应力-应变曲线)
    • 局域应力
  • 全局优化方法
    • 基于基因算法的晶体结构预测
  • 自适应动力学蒙特卡洛(AKMC)
    • 长时域分子动力学搜索未知反应机理,估算反应速率
  • 简谐过渡态理论(HTST)分析反应(转换)速率
    • 两个选项:声子配分函数详细分析、NEB路径曲率方法快速估算
    • Metadynamics(使用PLUMED库)
  • 显示并导出 MD、声子振动、NEB 路径的动画

泊松方程求解方法(用于 LCAO、PlaneWave 和 SemiEmpirical)

  • 快速傅里叶变换(FFT)(周期体系)
  • 包含金属区域或介电区域的体系可采用两种方法:
    •  Multigrid 方法
    • 共轭梯度方法
  • 不同偶极的输运体系计算采用 FFT2D 求解(无需偶极校正)
  • 分子体系多极展开
  • “Direct” 求解方法,用于大体系(内存并行
  • 可对不同方向独立采用狄利克雷、冯-纽曼或周期边界条件
  • 金属栅极或介电屏蔽区域
    • 可以计算晶体管特性,单电子晶体管得电荷稳定性图

计算性能选项(LCAO、PlaneWave 和 SemiEmpirical)

  • 使用最好的标准库、算法,比如 MKL、ELPA、PETSc、SLEPc、ZMUMPS、FEAST
  • 专有的稀疏矩阵库
  • 分布式内存并行选项
  • 自动确定费米能级以上需要计算多少个能带
  • 多级别并行
    • NEB 路径中间结构(或其他类似计算)并行
    • k 点并行
    • 基函数并行(多进程处理一个 k 点)
    • 能带和态密度计算
    • 自动确定每 k 点的最佳并行进程数
  • 可选缓存数据,以改进内存使用或加快速度
  • 使用磁盘替代 RAM 存储泊松方程求解格点(减少重复计算)
  • PEXSI 算法,对超大体系(DFT 方法计算 10000+ 原子)进行 O(N) 计算(参见:链接
  • 自动多线程机制
    • 考虑 MPI 进程数的同时自动控制线程数,以合理使用资源
  • 可以 MPI 和 OpenMP 同时并行

电子态结构分析(使用 LCAO、PlaneWave 和 SemiEmpirical)

  • 能带结构
    • 用户通过选择高对称点自定义布里渊区路径
    • 投影能带(Fat Bandstructure):可以在任意原子、壳层、轨道、原子组合上投影
    • 有效能带(Effective Bandstructure):将合金或其他超胞的能带的布里渊区进行展开
  • 分子能级谱
    • 分子的单电子能谱
    • 还包括周期体系的 Gamma 点的分子能级谱
  • 态密度(DOS)
    • 使用四面体方法或者高斯展宽方法计算
    • 投影态密度(PDOS):在任意原子、壳层、轨道、原子组合上计算投影
  • Mulliken 电荷布居分析原子、键和轨道的电荷
  • 实空间三维网格量(可以用 Python 语言操作、计算任意点的)
    • 电子密度
    • 有效势
    • 全Hartree势和差别Hartree势
    • 交换关联势
    • 全静电势或差别静电势
    • 分子轨道
    • 电子局域函数(ELF)
    • Bloch 函数,带有相位信息的复数波函数
  • 总能
    • 含熵的贡献
  • 电极化和压电张量
    • 采用 Berry 相位法计算
    • 计算Born有效电荷
    • 可选内部离子弛豫
  • 有效质量分析(有限差分法或微扰理论)
    • 二阶微扰方法或解析张量
  • Bader电荷分析
  • Born有效电荷
  • 费米面
  • 光学特性
    • Kubo-Greenwood 方法分析线性光学性质
    • 计算光吸收、介电函数、折射率谱等
  • 局域能带结构
  • 点缺陷分析研究工具
    • 全新的框架可以研究块体材料中的空位、替位和间隙点缺陷
    • 中性或带电的点缺陷
    • 计算弛豫的缺陷结构、形成能和热力学转换能级
    • 结构优化和形成能计算可以采用不通的计算引擎
    • 对于空位计算可以采用 Ghost atom,可以大大提高计算精度
    • 带电缺陷的 FNV 校正方案(带高斯模型电荷拟合)
    • 检查缺陷能随晶胞大小的收敛性,外推到无穷大晶胞
    • 自动确定不同晶胞大小所需的k点采样数,确保不同晶胞大小计算的一致性

其他电子态分析(使用 LCAO 和 SemiEmpirical)

  • 复数能带结构
  • 块体材料的电子透射谱
  • 海森堡交换分析(Heisenberg exchange analysis)工具
    • 使用格林函数方法计算 Heisenberg 模型的交换耦合常数的新方法
    • 可以使用密度泛函理论(DFT+U)与 LCAO 基组计算
    • Heisenberg 自旋-晶格模型是一个经验方法,可以研究有限温度下的磁性,例如:磁性体系的相图,相变和磁化动力学
    • 与基于多个磁性结构的总能计算的传统方法相比,这种方法可以在一个磁性结构计算中获得所有交换耦合参数
    • 方便的设置需要分析耦合的原子
  • 自旋寿命
    • 自旋寿命是自旋电子学的重要参数,在实际温度时,自旋寿命由电子-声子相互作用决定,还与自旋-轨道耦合有关(Elliot-Yafet机理)
    • QuantumATK 2018.06 可以计算声子限制的自旋寿命(参考:O. D. Restrepo and W. Windl. Phys. Rev. Lett. 109, 166604 (2012))

特别功能(LCAO、PlaneWave、SemiEmpirical)

  • 从已经收敛的自洽的密度矩阵初始化新的计算(自动重排自旋)
  • 从共线的自旋极化计算结果初始化非共线的自旋计算以改善收敛
  • 自定义初始的自旋填充方案
  • 奇偶 k 点网格(Monkhorst-Pack或edge-to-edge zone filling),平移到 Gamma 点或自定义平移
  • 分数氢赝势和基组(用于表面钝化)
  • 低级接口用于提取格林函数、哈密顿量、重叠矩阵、自能等参数
  • Delta 测试模块用于测试赝势-基组的精确度
  • 灵活的、可自定义的冗余度框架控制输出 log 文件的内容级别
  • 按不同区域设置不同的 TB09 Meta-GGA c 参数
  • 电子占据函数:Fermi、Methfessel-Paxton、Gaussian、Cold Smearing
  • Local atomic shifts
  • 模拟外场
  • 间接溶剂模型(implicit solvent model)
  • 支持带电体系
  • 补偿电荷
    • 模拟电荷掺杂
    • 钝化表面原子

非平衡态格林函数(NEGF)方法(使用 LCAO 或 SemiEmpirical)

  • NEGF方法研究双电极体系
    • 非平衡态格林函数(NEGF)描述散射区电子分布,包括与两个半无限电极(源漏电极)的自能耦合
    • 开放边界条件(Dirichlet/Dirichlet)允许在源漏之间施加有限偏压,并计算伏安特性(IV 曲线)
    • 包括电极电子态混入器件区域对电子密度和矩阵元的贡献
    • 对开放体系使用电子自由能取代总能
    • 可以处理两端不同的电极(允许研究孤立的界面,例如金属-半导体界面、p-n 结)
    • 可以添加静电栅极,研究晶体管特性
  • NEGF 方法研究单表面体系
    • NEGF 方法描述表面层,包含与单个半无限基底耦合的自能项(不使用近似的 slab 模型,对表面的描述更接近物理实质)
    • 无限基底和表面上方的真空分别使用合适的边界条件,可以进行表面非零偏压的计算
  • 计算性能和稳定性选项
    • 非平衡态(有限电压)下的散射态方法快速求算 Contour 积分
    • O(N) 格林函数计算和稀疏矩阵描述中心区域
    • 双、单半圆 contour 积分方法以获得有限偏压下的最大的稳定性
    • Ozaki contour 积分方法,包含深能级
    • 稀疏自能矩阵方法,节约内存
    • 可选择将自能临时或者永久保存在硬盘(而不是RAM),供其他计算使用
    • 自适应(非常规)k点积分计算透射系数
    • 最小电极概念
      • 电极缩减到最小重复单元,计算自能时自动重复
      • 节约电极计算时间O(N3)
  • 计算IV曲线
    • 弹性、相干的隧穿输运
    • IVCharacteristics研究工具
      • 将源漏偏压扫描和栅压扫描结合运行计算,同时分析结果
      • 在图形界面上直接设置计算
      • 多级别并行化
      • 中断自动续算
      • 每个电压自定义设置
      • 状态保存
      • 自定义源漏偏压,作电流-栅压图;作出多个栅压下的伏安特性曲线
      • 显示开关比,亚阈值斜率(subthreshold slope),转移电导(transconductance),漏极诱导势垒降低(DIBL),源漏饱和电压
    •  考虑电声耦合计算非弹性电流和温度效应(准非弹性(LOE)和全非弹性(XLOE)方法)
      • 可以用任意方法(DFT、tight-binding、DFTB、经验势)组合处理电子和声子部分
      • 众多提高性能选项,例如:将声子模式平均化(bunching)、使用能量相关的弛豫能量,均匀体系的密度矩阵自动重复,等等
      • 非弹性隧道电流谱(IETS)分析
    • Special Thermal Displacement (STD) 近似可以通过创建全部声子模式的正则平均来有效的包含全部的声子散射对IV曲线的影响(参见:链接
  • 光电流模块
    • 可以计算器件中光照驱动电流和光子参与的电子透射(一阶微扰理论)。
      还给出 AM1.5 太阳光谱照射的总电流
  • 器件结构优化工具
    • 此工具自动完成 Bulk Rigid Relaxation(BRR)方法,大大简化器件的结构优化。
      可以优化复杂体系
  • 电子透射机理分析
    • 透射系数(k分辨、能量分辨)
    • Monkhorst-Pack 或 edge-to-edge zone filling 方法 k 布点,或只采样部分布里渊区来获得详细信息
    • 谱电流
    • 透射谱、本征值、本征透射通道
    • 器件态密度,可投影在原子或角动量上
    • 电压降
    • 分子投影哈密顿量(MPSH)本征值
    • 电流密度和透射路径
    • 共线和非共线自旋的自旋转移转矩(Spin Transfer Torque,STT)
    • 使用 LDOS 或器件态密度得到原子尺度的能带图

电子-声子相互作用(LCAO、SemiEmpirical)

  •  获得电子-声子耦合矩阵元
  • 采用 Boltzmann 输运方程计算形变势和电导/迁移率张量,可以计算 k 分辨、能量分辨的弛豫时间或将弛豫时间设为常数
  • 计算 Hall 系数和霍尔电导率张量,Seebeck 系数和 ZT,一阶矩和热导,自动完成动力学矩阵(D)和哈密顿量导数(dH/dR)的计算
  • 可以采用 Wigner-Seitz 近似计算
  • 采用四面体积分方法计算迁移率和电阻率

NanoLab(图形用户界面)

  • 原子级结构建模工具,可构建分子、晶体、纳米结构和器件
    • 对称性信息工具
    • 超胞工具
    • 交互式的结构(原子或片段)控制(选择、编辑、移动),
    • 表面建模
      • 选择Miller指数,表面布拉维各自和切割平面
      • 创建slab或超胞结构
    • 界面建模
      • 分析不同的超胞大小和晶体角度的应变
      • 优化界面结构
    • 正二十面体建模
      • 构建二十面体纳米粒子
    • Wulff 结构建模
      • 构建表面能最低的纳米粒子
    • NEB 建模
      • 设置反应路径
      • 逐个编辑中间态
      • 使用 IDPP 方法预优化 NEB 路径
      • 使用 Python 脚本调用各种方法(LI-LinearInterpolation、HLC-HalgrenLipscomb和IDPP-ImageDependentPairPotential)进行自动化 NEB 路径创建
    • 创建器件结构用于输运计算
    • 纳米结构(石墨烯、纳米管、纳米线)建模
    • 分子建模工具
    • 多晶建模工具
    • 表面钝化工具
    • 导入导出绝大多数结构文件类型(可以用插件扩展功能,内置 OpenBabel)
    • Packmol分子填充工具
    • 内置 SQS 建模工具
      • 使用基因算法(其他程序采用蒙特卡洛方法会比较慢)
      • 目前支持二元体系,例如 SiGe 或者 InxGaAs
      • 支持任意结构,比如纳米线
    • Python 命令行终端
      • 在Builder 里直接使用 Python 对结构进行操作
      • 将建模工具结构操作转译成 Python 命令
      • 创建预定义脚本自动重复操作
  • 结构数据库
  • 快速设置计算和复杂流程
    • 完整支持 LCAO、PlaneWave、SemiEmpirical、ForceField
  • 显示 3D 数据
    • 高性能图形渲染引擎,支持百万级原子和键显示
    • 等值面图、等值线图、Contour 图,图形可以根据数据范围进行重复
    • 控制原子颜色、大小和透明度
    • 根据计算物理量(力、速度等)显示原子颜色
      • 可以用于 MD 轨迹等动画
    • 晶体的多面体作图表示
    • Voxel 作图方法(3D 格点数据的点状云)
    • 矢量场作图
    • Contour 平面图的 3D 立体化
    • 3D 显示控制,支持多光源
    • 布里渊区显示工具
    • 导出多数图片格式
    • 导出 CUBE 文件或简单 xyz 数据文件,用其他程序作图
    • 导出 MD 轨迹、声子振动、NEB 路径等的动画
    • 自动旋转显示,导出 GIF 动画
    • 交互式进行 3D 测量距离和角度
  • 2D 作图工具
    • 将作图保存成 Python 脚本,用于重新作图或自定义作图
    • 将能带和态密度作图合并
    • 在图上任意添加箭头和文字说明
  • 计算项目管理
    • 文件按项目归类存放
    • 在计算机之间、用户之间方便的共享计算项目
    • 总览项目全部数据或只关注部分数据,将不同项目数据文件合并
  • 脚本编辑器
    • 搜索-替换功能
    • 语法高亮显示
    • Python 语言自动补全
    • 自定义字体
  • 作业管理器
    • 在本机或远程服务器上提交串行或(多线程或多进程)并行计算
    • 本机模式:串行、多线程并行、多进程并行
    • 远程模式
      • Torque、PBS、SLURM、LSF 队列系统、无队列系统直接提交
      • 其他队列系统可以通过插件添加
      • 自动上传输入文件、下载输出文件
      • 仅需要安全的 ssh 访问,无需服务器端的守护进程
      • 内置 SSH 密钥生成工具,自动上传公钥
      • 诊断工具检测服务器设置是否正确
  • Python 脚本语言,直接和图形界面结合
    • 可以交互式使用
    • Parallel scheduler
    • 包含PyQt4
    • 包含PyMatGen
  • 参见:

NanoLab Links(支持其他计算代码)

  • 支持其他计算代码
    • VASP
      • 交互式图形界面直接创建 VASP 输入文件,支持大部分 VASP 功能
      • 手动添加 INCAR 行,预览 INCAR 文件
      • 读入结果文件并作图(OUTCAR、CONTCAR、CHGCAR、DOSCAR、EIGENVAL、CHG、PARCHG、ELFCAR、XDATCAR)
      • 作能带、DOS 与投影等
      • 使用 IDPP 方法生成NEB 路径
      • 设置结构限制
      • 可视化 NEB 路径和能垒
      • 导入分析 MD 轨迹
      • 可视化振动模式
    • QuantumESPRESSO
      • 创建输入文件
      • 读入电荷密度、DOS、能带并作图
    • GPAW
      • 创建输入文件
      • 读入电荷密度并作图
    • LAMMPS
      • 创建结构文件
      • 导入轨迹,显示动画、计算局域结构,作统计分析图
    • ORCA
      • 创建输入文件
      • 读入电荷密度并作图
    • 插件开发 API
      • 用户使用 Python 自定义插件,向 NanoLab 添加新功能
      • 添加支持其他代码
      • 添加建模新功能(从简单操作到复杂交互式工具)
      • 导入、导出其他格式结构文件
      • 添加数据分析和作图功能
      • 从官方服务器下载安装插件
    • MBNExlorer 导入导出
    • 包含用于导入多种量子化学格式的 CCLib

Python脚本编程和自动化

Python 脚本编程将全部计算功能结合在一起,可以更好的协同工作,用户也可以将计算任务自定义和自动化。

aktpython 是 Python2.7 版本的解释器,内置大量配置好的 python 模块,支持交互式运行或批量执行命令。QuantumATK 的输入文件就是python的脚本,其所使用的除了 python 原生的命令之外,还包括了QuantumATK 的 python 函数,支持:

  • 生成结构
    • 定义分子、块体、表面、器件结构
    • 定义布拉维格子
    • 构建纳米线、纳米管、石墨烯片层等特殊结构
    • 使用 python 命令重复 NanoLab 建模工具的操作
  • 设置模拟步骤
    • 设置 QuantumATK DFT-LCAO、DFT、PlaneWave、SemiEmpirical、ForceField 等计算引擎的模拟步骤
    • 设置多种计算引擎组合的多步骤
    • 在分子动力学模拟前后增加预处理和分析,调整 MD 模拟算法
  • 后处理分析
    • 自动化分析并作图
    • 获取 QuantumATK 的内部数据进行特别分析
    • 分析步骤批处理
    • 不同模拟分析方法组合
  • QuantumATK 提供超过 400 个类型和函数供用户使用,详见列表
  • 所有变量都带有物理单位,QuantumATK 支持在不同单位间便捷的换算
    • 单位:nm, Ang, Bohr, Meter, Rydberg, eV, meV, Hartree, Joule, Calorie, kiloCaloriePerMol, kiloJoulePerMol, Newton, nanoNewton, kilogram, Kelvin, fs, femtoSecond, picoSecond, nanoSecond, microSecond, millisecond, Second, Minute, Hour, Day, Ampere, Volt, Siemens, G0, Coulomb, bar, Pa, Gpa, hbar, Mol, Radians, Degrees
  • 物理常数:Boltzmann常数,Planck常数,Avogadro常数,光速,原子质量单位,hbar,电子质量,基本电荷,真空介电常数
  • 其他第三方 Python 模块(atkpython支持)
    • ADODBAPI, ASE, CCLIB, Certifi, Colorama, Crypto, Decorator, H5py, Ipykernel, Ipython, Isapi, Jinja, Jupyter_core, markupsafe, matplotlib, monotonic, monti, mpi4py, networkx, numpy, packaging, paramiko, pexpect, pickleshare, pillow, pkgconfig, plumed, psutil, pupynere, pybtex, pycrypto, pygments, pymatgen, pymongo, pymysql, PyOpenGL, PyQt5, pythonwin, pytz, pywin32, pyyaml, pyzmq, qtconsole, requests, scandir, scipy, simplegeneric, singledispatch, sip, six, spglib, tornado, tabulate, traitlets, wcwidth, win_unicode_console, win32, win32com, zmq

平台支持

  • 完整的二进制安装包。不需要任何编译,不需要标准操作系统安装版本以外的库支持
    • 支持多数现代的64位的 Windows 和 Linux 发行版(图形界面和计算后端,64位),详细的系统需求参见:链接
    • 提供完整的 Python 环境,包括预编译的 numpy/scipy/ScaLAPACK(基于MKL),matplotlib/pylab,Py4MPI,SSL binding,Qt/PyQt,等等
  • MPI 并行(Windows 和 Linux 下都支持)
    • QuantumATK 基于 Intel MPI 和 IntelMKL 编译,提供 OpenMP 和 MPI 的优化均衡
    • Intel MPI 包含在安装包内
    • 可以与以下并行库一起使用:MVAPICH2(Inifiniband)、MPICH2(Ethernet)等 MPICH 兼容库
  • 浮动 license 系统(Synopsys Common Licensing,SCL)

参考:原文链接