BAND & Quantum Espresso – 周期性体系DFT计算

BAND 概述

BAND用于周期性边界条件体系的第一性原理计算，因此主要用于三维晶体、二维固体表面与一维纳米线、纳米管、聚合物体系。能够对材料的谱学性质、光的吸收与折射、静电势、电子密度、原子电荷、费米面、有效质量、态密度、能带与化学键分析，电荷分析与谱学性质，表面化学反应、表面吸附问题进行研究。与流行平面波软件相比，BAND侧重材料化学计算，例如等。

BAND 的优势

• 效率：三维小体系计算效率较低，三维大体系、二维、一维周期性体系的计算效率比平面波方法高，杂化泛函的计算效率比平面波方方法高的多。
• MOF、COF等材料：BAND的基组是STO/NO，而不是平面波，因此真空区域不会显著增加计算量，因此对于Cell体积庞大，真空比例很高的MOF、COF等材料，计算效率远高于平面波方法
• 超重元素的精确计算：BAND不依赖赝势，而是精确的全电子基组
• 擅长成键分析：
  • 键能分解分析pEDA：将键能拆分为静电作用、泡利排斥、轨道相互作用（即成键时，电子转移带来的能量降低量）
  • 基于pEDA的NOCV：详细展示成键过程中，电子在不同晶体轨道中的转移情况，例如表面吸附时，小分子与晶体表面之间的电子转移情况
  • 从化学键角度分析能带的COOP方法，优于COHP方法
• 化学相关功能非常丰富、易用：
  • 过渡态搜索，采用NEB结合精确优化，大大提高过渡态计算的效率和精度
  • PES Exploration：表面吸附位点、表面化学反应机理自动探索
  • AIMD包含多种加速反应的方法
  • 巨正则系综蒙特卡洛模拟
• 支持Win、Linux、MacOS系统

BAND 主要功能列表

• 周期性边界条件：
  • 三维（体材料）
  • 二维（材料表面）
  • 一维（聚合物、纳米管线等）
  • 0维（分子）周期性体系
• 相对论与重元素：
  • 标量相对论
  • 自旋轨道耦合
  • 全电子基组、冻心基组
  • 支持元素周期表所有元素，不依赖赝势
• 泛函：
  • 各种常见GGA与meta-GGA泛函，如r2SCAN、极高效准确带隙的TASKxc、TASKCC等
  • 适用于吸附与氢键问题的色散修正泛函，如：-D3(BJ)、-D4(EEQ)
  • 杂化泛函HSE03、HSE06
  • 丰富的libxc泛函库
  • DFT-1/2方法得到更好的带隙、Hubbard U
• 基组：NTO/STO、纯STO基组、GTO基组
• 外场与特殊模型：
  • 均匀静磁场
  • 均匀静电场
  • 外压强与应力
  • 虚晶近似：允许某些原子位以一定比例掺杂
• 物理性质：
  • 能带结构与态密度、pDOS、LDOS、有效质量、费米能级、费米面
  • 形成因子、结合能XPS
  • 动态极化率、介电函数
  • 弹性张量及其相关性质（教程）、应力张量
  • 声子谱与热力学性质
  • 高精度功函数计算
  • 铁磁、反铁磁、亚铁磁材料
  • 锂电材料中锂嵌入势
  • 半金属材料性质

• 空间分布图：电子密度、ELF、静电势、范德华表面的静电势分布、晶体轨道、自旋密度

• 谱学性质：
  • 磁化率、极化率、介电函数与光吸收、折射
  • 单电子激发（教程）
  • EELS、EFG、Q-tensor、 ESR、g-tensor、A-tensor
• 化学分析：
  • AIM、原子电荷（Hirshfeld、Voronoi、CM5、Mulliken）
  • 核电子密度、通过Laplacian电子密度与键关键点区分化学键类型
  • Crystal Orbital Overlap Populations (COOP)
  • 化学键分析：PEDA-NOCV键能分解与化学价自然轨道：
    • 表面吸附结构的成键
    • 聚合物的成键
    • 多孔材料、框架结构材料内部吸附小分子的的成键

• 化学反应：
  • 势能面扫描（PES）、过渡态搜索 、能垒计算、表面吸附位点自动探索、表面化学反应机理自动探索
  • AIMD、基元反应分析、化学反应速率常数计算
  • 巨正则系综蒙特卡洛模拟

• 偶极较正：平面波方法只能通过添加真空层，来模仿低维度体系，但静电作用是长程作用，乃至50埃以外仍然有明显影响，一般通过添加真空层，并不能很好解决这个问题，因此平面波方法还会通过添加一个偶极较正，来近似地达到“屏蔽”层与层之间远程静电作用的效果，但这种屏蔽实际上也只能部分解决该问题。BAND不存在该问题，因此无需进行偶极较正。

Quantum ESPRESSO 概述

AMS2024版将 Quantum ESPRESSO version 7.1 完全集成，功能与、赝势均进行了升级，并支持用Quantum ESPRESSO生成训练集，调用AdvancedWF模块的ParAMS、MD Active Learning功能，训练、优化机器学习势、ReaxFF力场。

Quantum ESPRESSO基于密度泛函理论、平面波和赝势方法，用于电子结构计算和纳米级材料建模，与BAND在效率与功能上具有互补之处。主要功能包括：

• AIMD 第一性原理分子动力学
• Berry相
• Hubbard U、外加电场（匀强电场、锯齿电场）
• 旋轨耦合、色散修正（-D2、-D3、-TS、-MBD、-XDM）
• 结构优化
• 晶格常数优化
• 能带、态密度计算
• 铁磁、反铁磁体系能带、态密度、pDOS计算、设置初始自旋/磁矩
• 表面化学反应计算
• 静电势分布、ELF、RDG、RDG-color
• 材料应力与原子受力
• 表面吸附位点自动探索
• 表面化学反应机理自动探索

AMS 中 Quantum ESPRESSO的优势

• 完全集成到 AMS 中，因此 AMS 驱动中的很多方法，都可以调用Quantum ESPRESSO
  • 巨正则系综蒙特卡洛模拟
  • AIMD
  • 过渡态搜索，能够结合 NEB 与精确优化，提高效率
  • PES Exploration：表面吸附位点、表面化学反应机理自动探索
  • 支持生成 ReaxFF 训练集

案例与教程

• 进入AMS知识库，阅读BAND、Quantum ESPRESSO最新应用案例
• BAND、Quantum ESPRESSO中文教程