QuantumATK独有的新功能:非平衡态格林函数方法研究半无限表面模型

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概述 QuantumATK从最新版本开始引入了一个全新的、独一无二的半无限表面模型。与非平衡态格林函数方法配合,半无限表面模型可以比表面slab模型更完善的模拟表面体系。描述此方法的文章已经在Phys. Rev. B 96,195309 上发表(预印文章参见:https://arxiv.org/abs/1707.02141)。 模型 片层(Slab)模型 与其他的周期性模型程序类似,QuantumATK也可以用传统的Slab模型来描述表面体系,但Slab模型有很大的缺陷和局限: Slab最大的不足是无法模拟实际表面下方通常是无限大的块体材料; 由于厚度有限,Slab中的电子容易体现出量子限制的效应; 两个表面之间可能相互影响; 很难正确的在表面方向模拟外加电场; 经常需要表面钝化、偶极校正等额外补救措施。 单电极表面(One-probe surface)模型(或半无限表面模型) 为此,QuantumATK 基于 DFT 和格林函数方法方法开发了真正可以模拟半无限表面体系的模型,即将一个表面 Slab 模型耦合于半无限的块体结构上(见下图)。 这种模型有以下几个独特的优势: 算法复杂度降低,特别适合大体系计算; 表面性质对表面层数的依赖显著降低; 只需很少的层数就可以再现块体的电子态; 可以正确的施加垂直表面方向的电场,模拟电场对表面体系的影响。 应用 文章报道了半无限表面模型的原理和应用,这些应用实例展示了半无限表面模型和格林函数方法的精确性,也证实了这个模型在表面体系研究中比传统模型具有明显的优势。 计算过渡金属的功函数 计算贵金属和拓扑绝缘体的表面态 Ge(001)|Si薄膜半导体异质结构的能带对齐 电场对碘在Pt(111)上吸附的影响   NanoLab高级图形用户界面:专注于研究,更快获得结果 NanoLab 图形用户界面丰富易用的功能可以让用户专注于研究项目的科学问题,专心思考科学问题,更快的发现新材料、创建新结构,避免在数据的导入、导出、处理、作图等琐碎的问题上浪费时间。NanoLab 可以: 最强大的材料表面结构建模工具 直观的选择表面方向和表面超胞 最合理的表面结构优化方法 快速构建各种结构模型 内嵌晶体结构数据库 搜索在线晶体结构数据 应用领域 与QuantumATK中的结构优化、能量计算、CI-NEB过渡态搜索等功能结合,这种模型还在表面化学、催化等领域有广泛的潜在应用。 表面功函数 表面态 表面反应过渡态与催化 拓扑绝缘体 相关的实例教程 表面结构与吸附 表面分子吸附体系建模:中文教程、英文教程 硅表面重构研究:中文教程、英文教程 CO在Pd(100)表面的吸附:英文教程 […]

VNL-ATK 2017新版发布

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QuantumWise已于7月1日正式发布了VNL-ATK 2017版,新版引入了多种新的计算方法和大量的性能优化。   更新概要 大幅改进电声耦合计算性能 新的“special thermal displacement”近似方法,高效描述声子辅助隧穿 新增两种计算精确带隙的方法 改进默认参数设置 创新性的Wigner-Seitz方法加速大超胞的动态矩阵计算 输出文件改为HDF5格式 新增多种酷炫的2D、3D作图选项 变晶胞NEB过渡态搜索(模拟相变) 连接Materials Projects和COD数据库(或自建数据库) 完整的投影能带和DOS License信息 已经获得2017之后版本授权的用户,直接下载安装即可使用; 最后版本为2016与之前的版本的用户,欢迎联系我们(sales@fermitech.com.cn)付费升级事宜; 欢迎各位新老用户联系我们(sales@fermitech.com.cn)获取最新版的试用许可。 本次更新详情 电声耦合计算 显著降低内存消耗(稀疏矩阵存储) 典型测试显示内存需求从800GB降为1.3GB 计算迁移率的新方法:常数弛豫时间方法(与BoltzTraP代码类似) 弛豫时间可以由实验确定,也可以从动态矩阵计算并在能量/k点取平均 对于电极材料重复形成的器件(长的纳米线、纳米管、二维片层)体系,非弹性电流计算速度提高100000倍,因为仅计算电极的动态矩阵和哈密顿量导数 将所有声子模式在能量范围内分组求和(近似),提速10-100倍 突破性进展 ATK2017引入了一种全新的特殊热位移(special thermal displacement;STD)近似,来考虑声子散射对IV曲线的影响。 STD-Landauer方法详见(PRB文章已发表),这种方法将全电子-声子耦合计算减少为中间区域的动态矩阵(LOE/XLOE计算所必须的)和每个偏压(温度)下的一个器件计算。基本思想是根据全部声子的正则系综平均生成单个的原子位移组合,即可包含所有的温度效应。 文章演示了这种方法是如何高效的研究声子对硅p-n结电流、硅块体和纳米线的迁移率的影响随温度变化的效应(图)。 总体性能改进 费米面以上能带数现自动设置 提速约2倍;过去版本可以手动设置,但多数用户都未注意到这个选项 新的自能存储选项 NoStorage(大大减少大体系的内存占用,但是每次重新计算) SaveInMemory(快速,但耗内存) StoreOnDisk(快速,不消耗内存,但消耗硬盘空间) 中间区域不同,但是电极相同时,重复使用自能计算结果 SparseGreenFunction改进 使用可以减少大洁面体系的内存消耗 尤其对于有限偏压时,每个能量(k)点使用多进程可以大大减少每个MPI进程的内存 No performance overhead anymore for the distributed Pulay mixer […]

【QuantumATK亮点文章】非对称的金属-半导体-金属MoS2异相结

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科学家使用QuantumATK研究了非对称的金属-半导体-金属MoS2异相结。对不同掺杂浓度的透射和β-和β*-界面处的能垒研究表明,异相结的非对称能垒高度与掺杂浓度无关。这些结果显示了MoS2这个热门材料在电路元件设计中的一些有趣的性质。 使用QuantumATK对金属-半导体、半导体金属界面的结构进行优化得到的结果与实验一致。密度泛函理论和非平衡态格林函数方法则用来研究电子态和电子输运性质。 VNL中提供了非常方便的界面建模工具,用来构造并优化了金属-半导体、半导体-金属界面器件。两个界面的有效电子能垒有0.2V的差别,与掺杂浓度无关。 VNL中集成的Projected Local Density of States工具可以方便快捷的研究器件的输运性质和能带对齐,并直接作图,免去研究者编程和数据处理的痛苦。相关的教程参见:这里。 参考文献 [1] D. Saha, S. Mahapatra, “Asymmetric Junctions in Metallic-Semiconducting-Metallic Heterophase MoS₂”, IEEE Transactions on Electron Devices, vol.PP, no.99, pp.1 (2017)

【QuantumATK亮点文章】界面处能带收窄导致CZTS太阳能电池开路电压损失

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在Applied Physics Letters 2017 年发表的最新文章中使用 QuantumATK 讨论了在 Cu2ZnSnS4 太阳能电池体系里材料界面处能带收窄导致的开路电压损失。文章由 Synopsys QuantumWise 公司和丹麦技术大学(DTU)的研究者共同完成。 Cu2ZnSnS4(CZTS)是很有前景的薄膜光电功能材料。由于其具有直接带隙,因此 CZTS 构成的器件可以比间接带隙的硅基器件更有效的吸收光。此外,CZTS 体系中只包含地球上丰度很高的元素,因此比诸如 CdTe 等体系更具有经济价值。 目前 CZTS 体系主要的问题是开路电压(OCV)很低,并且原因不明。目前主流的解释是 CZTS 与作为缓冲层的 CdS 之间的(大台阶状)能带对齐是主要的不利因素,然而,目前对最新的效率超过7%的CZTS器件的测量都表明能带对齐相当的合适(平坦)。 本论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。本研究显示了器件级别模拟所需参数可以从原子级别的材料模拟结果中获得,将两个级别的模拟结合可以为未来薄膜光电池器件提供有力的工具。   QuantumATK 中提供: 便捷的材料界面建模工具,构建任意表面之间的界面模型; 使用双电极器件模型(device model)与 NEGF 方法直接计算能带对齐,避免 Slab 模型能级对齐的困扰。 参考文献 文章原文:A. Crovetto, M. Palsgaard, T. Gunst, […]

分子动力学网络课程
“How Atoms Move: Introduction to Molecular Dynamics Simulations with VNL and ATK-Classical”

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QuantumWise 将于近期举办“使用 VNL 和 ATK-Classical 进行分子动力学模拟”的网络课程。 网络课程时间:2017 年 1 月 24 日 4-6 PM 或 1 月 26 日 3-5 AM(均为北京时间) 课程安排如下: 入门讲座(半小时):介绍分子动力学的基本原理、方法和应用 操作演示(一小时) 答疑(半小时) 本次网络课程以英文进行。 点此注册 成功注册后,您会收到一封确认邮件,提示您如何加入本次网络课程。 有疑问请联系我们:sales@fermitech.com.cn 或 info@quantumwise.com。 参加者准备: 没有任何计算模拟经验的人也可以从中获益,但建议参加者应该有基本的原子级别建模和模拟的经验。 参加者可以提前在自己的电脑上安装 VNL-ATK,以便在操作演示中进行练习。所有用户都可以申请 30 天免费试用 license(点此申请),学术机构的研究者可以申请 ATK-Classical 的永久免费 license(点此申请)。 深入了解VNL-ATK中的经验力场计算引擎ATK-Classical,请参考: 简介:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/atk-classical/ 文章: http://arxiv.org/abs/1701.02495 与ATK-Classical相关的中文实例教程有: 分子动力学基础 模拟气相沉积薄膜生长过程 模拟离子轰击单层石墨烯 缺陷碳纳米管的杨氏模量 界面热导的模拟 VNL-ATK是先进的材料与器件模拟平台,除经验力场之外,还支持DFT、DFTB、半经验量子力学计算,可以模拟材料和电子器件的各种性质(了解 VNL-ATK 的更多功能)。

材料与器件模拟研讨会暨VNL-ATK Workshop 2016在北京大学成功召开

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由北京大学物理学院、QuantumWise和费米科技联合主办的“材料与器件模拟研讨会暨VNL-ATK Workshop 2016”在北京大学成功召开。来自 QuantumWise 公司、北京大学等多个单位的老师和同学在会上向大家介绍了各自的工作,在听众中引起了热烈的讨论。在随后的 Workshop 上机练习中,QuantumWise 公司的 Kurt Stokbro 博士和费米科技董栋博士为大家介绍 VNL-ATK 基本功能和 2016 版新功能的实例,并与老师和同学就各自的研究中的问题进行了深入的交流。Kurt Stokbro 还为各位用户介绍并预览了2017版众多令人瞩目的新功能,激起了很多老师和同学的兴趣。 费米科技秉承为用户服务的宗旨,将在一年一度的全国的 Workshop 基础上组织更多的区域性和在线的研讨会,以为用户之间的交流提供更大的便利,敬请期待。也欢迎 VNL-ATK 用户参与我们的“中文手册计划”和“用户激励计划”。相关活动计划将在费米集合上更新。 费米科技感谢 VNL-ATK 全体中国用户的大力支持,感谢北京大学的吕劲老师课题组为组织本次会议付出了大量的努力;感谢广州五舟科技股份有限公司对会议的赞助。 更多详细情况请咨询费米科技。

VNL-ATK 2016 新版发布

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QuantumWise于7月22日正式发布了2016新版,进一步提升了计算精度、并行效率;发布了全新的分子动力学框架;全新的单边电极的表面模型计算;发布了用于苹果电脑系统的Mac版;改进了License机制,更有效的安排计算。 重要更新功能摘要 新增基组和赝势(SG15):进一步提高 ATK-DFT(GGA)计算的精确度 电子–声子耦合计算更快:原有代码提速约 10 倍,新增近似谱方法更快 电子声子耦合计算支持非共线自旋与自旋轨道耦合 迁移率计算可以得到更多性质:Seebeck 系数、热导率、Hall系数以及Hall电导率张量 多核k点并行默认打开:不用修改输入文件即可实现块体材料计算可以多至几百核并行 改进输入脚本生成器(Scripter) :更方便的实现更多的高级功能 改进 MD/NEB/AKMC 框架:多级别并行,高度灵活的全新计算引擎代码 MD 计算中新的恒压器( Martyna-Tobias-Klein 恒压器) 丰富新颖的作图方法 表面结构模型(单电极模型):不需要片层(slab)模型,采用NEGF方法和物理上更合理的边界条件模拟真实表面 超大规模体系(10000+原子数)DFT计算:基于 PEXSI 求解器实现 新的k格点方案:Gamma–中心的偶数点;透射谱计算中采用规则的取点方式,并包含布里渊区边界 新的 Hubbard+U 方法:按角动量设置赝势投影算符的能量移动(平面波代码中的类似方法) Ozaki 平衡态积分环路:器件平衡态密度矩阵计算十分稳定,尤其是电子能级谱很深的时候 输出冗繁度控制 Mac OS 版本 License 要使用此版本需要 license 支持 16.0(2016版),请检查您的lic文件。 已经购买了 2016 版本需要更换 license 的用户请与我们联系:sales@fermitech.com.cn。 需要购买新版的用户请与我们联系:sales@fermitech.com.cn。 申请试用License 申请免费学术版VNL。 新版的说明文档和教程 英文文档主站:http://docs.quantumwise.com/ 教程:http://docs.quantumwise.com/index.html 说明文档:http://docs.quantumwise.com/index.html 下载最新版 VNL-ATK下载页面 注意 […]

VNL作为LAMMPS的用户界面

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概述 LAMMPS 是一个应用广泛的经验力场分子动力学程序,使用VNL可以: 快速构建多种模型并导出LAMMPS的文件; 导入LAMMPS 分子动力学轨迹,并使用VNL中的分析功能进行分析。 现在申请【获取永久免费学术版的VNL图形界面】,即可获得这些功能! 使用VNL快速构建结构模型 导入数据库中的结构 导出LAMMPS的数据格式 构建块体、表面、界面结构 构建分子模型 构建随机合金、多晶体系 构建无定形体系 使用packmol将分子充填到晶胞 更多详细介绍,请参见:【VNL的建模功能】。 使用 VNL 分析 LAMMPS 的结果 VNL支持超大体系的显示和分析 原子数可达百万级 VNL可以直接由分子动力学轨迹得到体系的各种分布函数和性质: 径向分布函数 速度/动能分布 速度自相关函数 局域质量密度分布 局域应力分析 从MD轨迹计算声子DOS 配位数分析 角分布函数 均方位移 Evolution of average nearest neighbor number with tine 中子散射结构因子 弹性常数(应力-应变曲线) 多种函数重叠作图 支持柱状图、线状图 显示MD模拟过程的原子速度 显示MD动画并支持自定义显示、按帧导出结构 导出动画文件 相关实例教程 使用VNL产生无定形结构 英文教程:Generating Amorphous Structures VNL和LAMMPS一起使用进行分子动力学研究 教程:在VNL中导入LAMMPS轨迹文件。 […]

 
  • 锌离子导电 MOF 界面层助力高稳定性水系锌电池研究背景 随着可再生能源的快速发展,安全、高效、低成本的储能体系需求不断增长。相比锂离子电池,水系锌金属电池(ZMBs) 因其高理论容量(820 mAh g⁻¹)、低还原电位(-0.76 V vs. SHE)以及水系电解液的高安全性,成为下一代储能技术的有力候选者。然而,ZMBs 在商业化应用中仍面临两大关键难题:一是锌枝晶生长:在反复充放电过程中,锌离子在金属表面沉积不均匀,容易形成针状枝晶,刺穿隔膜,引发短路和电池失效。第二个难题是副反应严重:由于水的存在,锌金属在界面上会发生副反应(氢析出、腐蚀反应),导致库仑效率下降和循环寿命缩短。因此,如何通过界面调控来实现均匀锌沉积、抑制副反应,是目前研究的核心问题。已有研究尝试通过电解液优化、人工界面层构筑、合金化等方式来改善,但仍存在材料稳定性差、离子传输效率不足等局限性。在此背景下,来自日本筑波大学的 Eunjoo [...]
  • 基于三维动力学蒙特卡洛模拟的白色 TADF OLED 激子利用率优化研究研究背景 过去几十年间,有机发光二极管(OLED)因其广色域、超高对比度、低能耗和柔性特性,已在显示市场获得广泛应用。高效白光有机发光二极管(WOLED)作为大尺寸照明光源、液晶背光和标识应用的潜力正日益凸显。尽管 WOLED 具备显著的应用前景,要实现商业化仍需攻克多项技术难题,其中提升发光效率尤为关键。要实现多层堆叠结构 WOLED 的理性设计与优化,必须对器件物理机制(尤其是电荷与激子动力学)建立精确的定量认知。构建完整 OLED 结构的物理模型面临以下几大挑 战: 真空或溶液工艺制备的分子薄膜具有非晶态特征; [...]
  • 弯曲 CrSBr 单层中的自驱动纯自旋光电流研究背景 在近年来二维材料研究的迅猛发展中,二维磁性半导体因其在自旋电子学和光电子学领域的潜在应用而受到广泛关注。CrSBr 作为一种新兴的二维铁磁材料,兼具层状结构、稳定的磁序和各向异性的电子性质,为实现多功能集成器件提供了理想平台。特别是在无外加电压条件下实现的自驱动光电流效应,能够显著降低器件功耗,是发展新一代低功耗光电器件的重要方向。同时,纯自旋光电流的产生可避免能量损耗与散射限制,有望在自旋输运、信息存储与量子计算等前沿领域发挥关键作用。 然而,在传统二维材料中实现纯自旋光电流面临诸多挑战,如缺乏稳定磁序、对称性抑制光生自旋分离等问题。研究发现,通过施加应变或引入弯曲形变,可以有效打破材料的空间反演对称性,从而诱导内部电场并激发新型光电效应。因此,探索在二维磁性材料中通过弯曲构型实现自驱动且自旋极化的光电响应,具有重要的理论价值与应用前景。该工作正是在这一背景下开展,旨在揭示弯曲 CrSBr 单层中自驱动纯自旋光电流的物理机制,并推动二维材料在低维自旋光电子器件中的应用探索。 研究内容 本研究基于第一性原理计算与非平衡格林函数方法,系统探索了在机械弯曲条件下,CrSBr 单层中产生自驱动纯自旋光电流的物理机制。研究发现,非弯曲 CrSBr 单层的实空间电荷密度分布图中,S 原子和 Br 原子都参与了 VBM,CBM 由 Cr 原子组成。然而,弯曲后单层 CrSBr 的电荷密度分布却发生了令人兴奋的变化。屈曲后,VBM 占据结构左侧,CBM 占据另一侧。随着弯曲深度的增加,电子-空穴分离更加明显。 图1. 单层 CrSBr 的(a)俯视图与侧视图(b)能带结构及轨道投影态密度(c)CBM 与 VBM 的实空间分布(d)挠曲深度 d=11 [...]
  • 炔烃插入-双金(I)络合物引发金催化机制新思考背景 过去二十年,金(I)络合物因其优异的 π 活化能力,在均相催化领域大放异彩。特别是在炔烃的活化转化方面,阳离子型金(I)络合物已被广泛应用。然而,中性、配位饱和的金(I)络合物通常被认为催化能力弱、难以实现插入反应等过渡金属常规反应步骤。尽管已有零星研究报道了金(I)–X 键(X 为氢或杂原子)与炔烃发生插入反应,但几乎全部集中在单金属体系,且普遍需要高温或过量底物。近日,西班牙塞维利亚大学 Pablo Ríos 教授团队联合马德里康普顿斯大学 Israel [...]
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