QuantumATK的图形用户界面

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概述 QuantumATK 为用户提供了方便易用的图形用户界面环境(NanoLab),可以轻松的完成各种计算模拟任务;内嵌的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。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、分析计算结果。用户还可以自己编程设计自己的图形界面插件,实现文件格式交换、数据处理作图、设计新型结构和计算流程,等等。 更多功能介绍详见 QuantumATK功能列表。 建模工具详见:QuantumATK中的建模工具。 建模工具 QuantumATK的图形界面 NanoLab 提供了丰富易用的建模工具,能够满足不同层次的模型构建需求。 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 […]

机器学习方法分析无序MgAl2O4结构形成的磁性隧道结的隧道磁电阻

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摘要 此项研究通过贝叶斯优化和最小绝对收缩选择算子(LASSO)技术结合第一性原理计算,探索了 Fe/无序MgAl2O4(MAO)/Fe(001)磁性隧道结(MTJ)的隧道磁电阻(TMR)效应。通过对 1728 个候选结构进行贝叶斯优化,得到了 TMR 最大的最优结构,在 300 次结构计算中达到收敛。对所得结构的表征表明,两个铝原子之间的面内距离在决定 TMR 方面起着重要作用。由于无序 MAO 的 Al-Al 距离对复数能带结构的虚部有显著影响,Fe/无序MAO/Fe-MTJs 中 Δ1 态的多数自旋电导随着面内 Al-Al 距离的增加而增加,导致 TMR 增大。此外,我们还发现,当 [001] 面上 Al、Mg 和空位的数量之比为 2:1:1 时,TMR 趋于大,这表明 Al 原子位置的控制对于提高无序 MAO 的 MTJ 中的 TMR 至关重要。本文揭示了材料信息学结合第一性原理输运计算在基于 MTJs 的高性能自旋电子器件设计中的有效性和优越性。         原文 S. Ju, et al. Machine learning analysis of tunnel magnetoresistance of […]

QuantumATK中的Python编程开发环境

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Python开发平台和计算流程自动化 兼容 Python 3 的完整运行环境,包含丰富的第三方模块,支持脚本建模、计算设置、结果分析和可视化。 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 Python 3.6 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, […]

QuantumATK中的计算脚本和作业管理工具

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概述 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  

材料电子态性质研究工具

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概述 QuantumATK可以使用 DFT-LCAO、DFT-PlaneWave 和 SemiEmpirical 等工具进行实空间或者k空间的电子态结构分析。 基本电子态 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 局域态密度LDOS以及在一个方向的投影,DOS在实空间的投影和一维化 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 电荷布居 Mulliken 电荷布居分析原子、键和轨道的电荷 Bader电荷分析 电子态总能 包含熵的贡献 高级分析计算工具 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 有效能带(能带展开)工具 构造随机合金的超胞,并计算体系的电子台 将能带对应波函数展开投影到相应的单胞,得到有效能带 Born有效电荷 费米面 对全布里渊区k点采样,计算能带并进行三维费米面作图 […]

非平衡态格林函数方法计算引擎

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概述 非平衡态格林函数(NEGF)方法,是研究具有开放边界条件的双端半无限电极电极模型的有力工具,现已经成为在原子尺度上模拟器件体系电子输运性质的标准工具。该方法将 DFT-LCAO 或 SemiEmpirical方法与 NEGF 方法结合进行自洽计算,得到器件体系在非平衡态(非零偏压)下的电子态,并由此得到电子在器件散射区的透射概率谱,进而分析电子输运性质。 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) 应用 电子输运与器件性能仿真工具 材料表面的建模和模拟工具 材料界面的建模和模拟工具 参考 QuantumATK中的NEGF方法技术细节(英文) 立即试用 QuantumATK! 下载QuantumATK软件安装包 申请QuantumATK的全功能试用许可  

超快的HSE杂化泛函计算

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概述 HSE 06 杂化泛函是计算半导体带隙的常见方法,但该方法过去一直受限于计算速度非常慢的因素,只能用于很小的体系计算,无法用于快速的材料筛选。QuantumATK 的最新版本 (R-2020.09)将 HSE 与 LCAO 基组结合实现超快的杂化泛函计算,同时又保持了HSE对半导体带隙的计算精度。HSE-LCAO 方法目前应用于块体体系主要用于块体体系的电子态和光学性质的计算。 半导体带隙。对半导体材料的单胞带隙验证计算结果如下。 计算速度。53 硅原子(B 掺杂)体系的态密度计算 4 核并行计算时间仅须 22 分钟,而使用平面波方法可能需要 2 天。 应用   半导体缺陷。结合 QuantumATK 中提供的 Sentaurus Materials Work Bench 工具,可以直接研究半导体带电点缺陷形成能等重要性质。 能带排列。结合 QuantumATK 提供直接计算 LDOS 能带排列的计算和作图工具,可以将将此方法用于界面体系可以很方便的研究不同材料间的能带排列,下图是使用 HSE 和 PBE 计算结果的对比。 超大多层堆叠。HSE-LCAO应用于 1969 个原子的的半导体中典型的堆叠体系(Si|SiO2|HfO2|TiN),仍然可以使用较少的计算资源(48 核心)在短时间(16小时)内完成计算,得到直观的能带排列图。 参考 QuantumATK R-2020.09新版发布 Sentaurus Materials Workbench简介 立即试用 QuantumATK! 下载QuantumATK软件安装包 申请QuantumATK的全功能试用许可  

光伏材料的计算模拟与器件仿真

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概述 光伏材料与器件是实现太阳光能直接转化为电能的一种重要途径,更广泛的光电转换材料与器件则可以应用于光信号传感器等领域。基于半导体材料构造的异质结构是这类材料应用的关键,一般来说影响光电转换效率的因素有:材料吸光能力、电子空穴对分离效率、载流子迁移效率。使用 QuantumATK 可以方便的研究: 半导体材料的准确带隙和光吸收 包含超快的HSE06杂化泛函方法和快速的k空间采样方法,可以轻松计算千原子体系 半导体材料的载流子有效质量和迁移率 采用完整的电声耦合方法 半导体异质结构的能带排列 采用界面模型直接计算,不必考虑真空能级校正等复杂处理 异质结器件的光生电流和开路电压 直接得到光电流谱和太阳光照下的电流密度 可以直接考虑光电转换过程中的温度效应 构造机器学习模型,快速预测复杂体系的成分与结构 应用案例 实例1:二维材料的结构电子态模拟 论文作者对实验上得到的多层结构进行了模拟,得到了与实验一致的结果。文中使用DFT-D2范德华力泛函(注:QuantumATK最新版现已支持DFT-D3)对结构进行了优化,用GGA进行了结合能的计算,使用MetaGGA进行了精确带隙的计算。作为比较,又使用HSE06杂化泛函的DOS计算。注:新版的QuantumATK中LCAO基组已经支持HSE06杂化泛函,并能够进行超快的电子态计算。 详见: 用石墨烯包裹实现二维氮化镓(Nature Materials, 2016) 超快速的HSE杂化泛函计算半导体准确带隙 实例2:机器学习研究钙钛矿光伏材料的稳定性和带隙 钙钛矿的成分调控让人们能够精确控制其在光伏应用所需的材料性能。然而,同时解决效率、稳定性和毒性仍然是很大的挑战。混合的无铅钙钛矿和无机钙钛矿最近显示出了解决此类问题的潜力,不过它们的组分空间巨大,即使采用高通量方法也很难发现有希望的候选结构。此项研究通过使用由密度泛函理论生成的344个钙钛矿的新数据库,使用与元素无关的通用指纹信息的机器学习方法可以快速而准确地预测关键属性。使用验证子集预测的带隙、形成能、和凸包距离分别在146 meV、15 meV/atom 和 11 meV/atom 内。得到的模型可以用于预测完全不同的化学组分空间中的趋势,并进行快速的组成和结构空间采样,而无需进行昂贵的从头算模拟。 详见:机器学习研究钙钛矿材料的稳定性和带隙 实例3:界面处能带收窄导致CZTS太阳能电池开路电压损失 Cu2ZnSnS4(CZTS)是很有前景的薄膜光电功能材料。目前 CZTS 体系主要的问题是开路电压(OCV)很低,并且原因不明。本文从另外的角度来解释 OCV 损失。研究者使用 QuantumATK 计算了 CZTS 和 CdS 之间界面处的电子态(能带对齐)情况,并在界面处发现了一处很小的局域化的界面态。在进行器件级别模拟时,此界面态导致了显著的 OCV 衰减,本文给出的计算结果与文献中报道的目前 CZTS 光电池器件测量结果定量的吻合。 详见:界面处能带收窄导致CZTS太阳能电池开路电压损失 实例4:电子输运与载流子性质 QuantumATK支持直接计算材料中的电声耦合,并得到载流子的输运性质,包括费米面形状、载流子有效质量、载流子迁移率、霍尔系数、热电塞贝克(Seebeck)系数等。这对评估电子材料的可用性提供了直接的标准。 详见: 第一原理方法计算电子-声子耦合和电子迁移率 考虑电声耦合效应能够准确和高效的计算电阻率和迁移率的新方法 实例5:半导体异质结的光生电流与温度效应 QuantumATK支持直接构造异质结模型,计算在特定频率或太阳光谱照射下的光电流密度,并进一步得到开路电压;在此基础上,可以采用QuantumATK特有的STD方法考虑温度(电声耦合)效应,得到的温度对开率电压的影响与实验吻合非常好。 […]

热输运计算与机器学习耦合设计热功能材料

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本文报道的研究采用了材料信息学(MI)方法(即结合了材料性能计算/测量和信息学算法)实现了热功能材料纳米结构的特性的计算优化,这是基于物理直觉和模型的经验方法难以获得的。此研究以一个超晶格结构的优化问题为例,介绍将热输运计算和机器学习相结合的 MI 的基础知识和技术程序,总结了描述符、目标函数、特性计算工具、机器学习(Bayesian optimization)算法和优化效率的细节,并成功地应用于热电材料和热辐射材料的设计。 在过去的几十年里,各种热输运的计算和实验技术在纳米尺度上得到了发展。一般来说,这类知识都是基于四个维度(时间和空间的三个维度)的热传输物理模型,也是人类更容易理解的。然而,在识别复杂的结构-性能关系时,尺寸可能成为制约因素。另一方面,使用黑箱模型的机器学习在处理大量维度的超空间方面有优势,并且在预测复杂的结构-属性关系方面可能更为优越,唯一的不足可能是它可能无法直接帮助人类理解基本物理问题。随着机器学习和数据挖掘方法的进步,研究人员现在能够从计算或实验数据中构建一个黑盒模型,识别或预测显示出所需特性的纳米结构或材料。因此,它为发现、设计甚至理解新材料提供了巨大的机会。 这种 MI 方法有四个基本要素:目标函数、描述符选择、评估目标函数的性质计算工具和信息学优化方法。文章通过设计超晶格基本结构框架对结构进行了数字化得到了多种结构描述符,采用 QuantumATK 中包含的格林函数方法和 Tersoff 经验力场方法结合计算的体系的导热系数作为优化目标函数,并据此设计了 Bayesian optimization 的流程。作者在文中比较了不同优化方法和不同的结构描述符的优劣,并进一步将导热的优化流程延伸应用于优化石墨烯纳米带的热电品质因数(热电优值)。       原文链接 J. Appl. Phys. 128, 161102 (2020),https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0017042。  

Sentaurus Materials Workbench简介

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Sentaurus Materials Workbench(SMW)是基于 QuantumATK 提供的一套用于半导体材料模拟的工具套件,可帮助您创建材料参考模型,并使用 DFT 计算或经验势或两者来为原子水平计算设置输入文件。 SMW 可以自动生成缺陷,并包括多种技术和方案以提高计算的准确性。 SMW 包含以下功能模块: 材料技术参数(MaterialsSpecification) 使用 MaterialSpecifications 对象,您可以为计算定义计算设置。 Sentaurus Materials Workbench 带有一个MaterialSpecificationsDatabase,该数据库包含预定义的行业相关材料的的技术参数。 该数据库可以作为多数应用的起点。 MaterialSpecifications MaterialSpecificationsDatabase 能带校正(Bandstructure calibration) SentaurusBandstructureCalibration 用于将能带模型(有效质量、k.p等)的参数校准到第一原理计算的数值,这些参数可以用于Sentaurus工具的模拟。该工具支持硅的纳米线或纳米薄片。 Wire Slab SentaurusBandstructureCalibration SentaurusWireEffectiveMassModel SentaurusWireKdotPmodel SentaurusSlabKdotPmodel 单个缺陷参数和收敛性研究 ChargedPointDefect 工具可以研究多种缺陷和超胞大小的形成能和捕获能级,包括: DefectCluster Interstitial SplitInterstitial Substitutional Vacancy 这些计算都是通过 ChargedPointDefect 完成的。 能带示意图提取 BandDiagramExtraction 可以从多层 2D 结构的第一原理计算中提取能带示意图。可以提取每层中的平均导带/价带边缘,带隙和功函数/电子亲和能。 为了提取功函数,需要计算真空能量。 为了计算每一层的真空能,将多层结构分为具有真空的单层。 缺陷特征和迁移 缺陷的迁移是用在初态和终态之间的 NEB 计算完成的。 TransitionPathList […]

 
  • AMS在化工分离过程中的应用概述 COnductor-like Screening MOdel for Realistic Solvents(COSMO-RS、COSMO-SAC),是一种基于DFT数据,预测气体纯液体、液体混合物、溶液、离子液体性质的方法,也用于共晶的研究。数据库中包括2500种化合物(溶剂、小分子)以及离子液体离子的DFT数据库,用户也可以通过ADF模块轻松扩充DFT数据库。 除了基于DFT数据的COSMO-RS、COSMO-SAC方法,还有基于基团特性的UNIFAC方法。用户提供分子结构SMILES,程序即可预测上述性质,往往能够得到更好的结果。 可以预测的流体性质列表 溶解度、分配系数 (log P log Kow) [...]
  • AMS在石油化学工业中的应用概述 随着计算机性能与计算理论方法的改进,在原子分子水平模拟分子的结构与行为,在石油化工领域得到越来越广泛的应用。在高分子材料、分子筛催化剂以及油品添加剂的研发中,计算模拟能够帮助研究者更深入地理解所研究的体系,促进新分子筛催化剂、高分子材料的的开发与改性,油品添加剂新产品研制,减少实验工作,缩短研发周期。 分子筛催化 结构表征 分子筛存在大量的真空区域,对这样的体系,基于平面波的DFT计算将耗费大量时间在无意义的真空区域。BAND采用STO/NO基组,从而大大节省计算时间,使得正常GGA结构优化对分子筛可以实现 吸附与扩散 对于晶体模型的结构,BAND、DFTB均提供D3(BJ)色散修正,更精确的计算吸附结构 通过基于DFT、MOPAC、DFTB或力场的分子动力学模拟能够非常便捷地生成扩散系数 分子筛与分子之间相互作用能量的分解分析,以及电子转移的定性图像 高分子催化 [...]
  • AMS在有机发光显示材料中的应用概述 由于智能手机电子屏等巨大市场规模,OLED材料和有机电子学是一个非常活跃的研究和工业发展领域。有机发光显示材料的研究是一个综合性的系统工程问题,有分子层面的问题,也有工艺等等层面的问题。在分子层面,电子的激发形成激子、载流子的迁移、分子激发态的内部转换以及发光过程,目前已经有相当完善的理论研究方法和工具。 ADF模块具有一些独特的工具来模拟这些分子水平上的过程问题,如电荷传输、激子耦合和发光效率等。对优化有机电致发光二极管(OLED)、有机场效应晶体管(OFET)、光伏电池(PV和OPV)和染料敏化太阳能电池(DSSC)等有机电子器件中的材料性能而言,这些分子过程非常重要。 AMS提供的模型和工具 材料结构与电子结构 通过ZORA、X2C方法精确考虑相对论自旋轨道耦合效应 包含最新的色散修正泛函,以及高精度泛函,准确预测分子结构以及分子间作用 使用高精度STO/NO基,优化分子晶体结构 分子能级与轨道 带电场、溶剂环境的表面-分子相互作用 [...]
  • QuantumATK的图形用户界面概述 QuantumATK 为用户提供了方便易用的图形用户界面环境(NanoLab),可以轻松的完成各种计算模拟任务;内嵌的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。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、分析计算结果。用户还可以自己编程设计自己的图形界面插件,实现文件格式交换、数据处理作图、设计新型结构和计算流程,等等。 更多功能介绍详见 QuantumATK功能列表。 建模工具详见:QuantumATK中的建模工具。 建模工具 QuantumATK的图形界面 NanoLab [...]