QuantumATK平台的“终极”参考文献正式发表

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新一代材料与器件模拟平台QuantumATK的“终极”参考文献“QuantumATK: an integrated platform of electronic and atomic-scale modelling tools”已在线发布！[1] 除了提供总体概述和一些以前未发布的方法实现细节外，文章还提供了四个重要的应用示例： Cu、Ag和Au的声子限制迁移率 门控二维器件中的电子输运 锂离子在外电场中通过电池正极漂移的多模型模拟 SiGe合金成分相关带隙的电子结构计算 要了解更多新一代材料与器件模拟平台的概况和使用方法，敬请关注《材料学计算模拟系列课程：QuantumATK材料与器件模拟平台使用入门（11月23-24日，西安）》。 如何正确引用QuantumATK 从现在起，请 QuantumATK 的用户在任何发表使用软件得到的结果刊物中引用本文。我们建议您以以下格式提供所用软件的版本： “QuantumATK: An integrated platform of electronic and atomic-scale modelling tools”, S. Smidstrup et al., J. Phys.: Condens. Matter 32, 015901 (2020). QuantumATK, version P-2019.03, https://www.synopsys.com/silicon/quantumatk.html QuantumATK材料模拟平台概述 模拟引擎 QuantumATK模拟引擎可以使用密度泛函理论（DFT）或紧束缚模型哈密顿量进行电子结构计算，还可以在许多不同参数下提供键合或反应型经验力场。DFT可以在平面波基组或原子轨道线性组合（LCAO）基组展开电子态来实现计算。 图形用户界面 NanoLab：基于插件的图形用户界面（GUI），所有QuantumATK模拟引擎都集成于统一的GUI NanoLab links：使NanoLab能够连接其他代码的功能模块 插件服务器：为NanoLab下载数百个不同的专业功能模块 原子结构 分子（非周期体系） […]

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DNA结合剂的新用途-氢键有机半导体（Nat. Comm. 2019）

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有机半导体通常是多环芳烃或杂原子取代的多环芳烃组成。有机电子学中，生物启发材料领域，生物分子表现出新的电荷输运机制和特定的分子识别机制。伊利诺斯大学香槟分校Ying Diao课题组发现脱氧核糖核酸拓扑异构酶抑制剂得到的有机半导体材料，与普通有机半导体不同，它具有氢键修饰的共轭骨架。 作者以玫瑰树碱为模型进行了研究，发现氢键不仅诱导多晶组装，而且对形成沿π共轭平面的有效电荷传输路径也至关重要。在π−π堆叠和氢键方向，微波传导法测得的本征短程空穴迁移率高达6.5 cm2V−1s−1和4.2 cm2V−1s−1，在场效应晶体管中测得的长程表观空穴迁移率可达1.3 × 10-3 cm2V−1s−1和0.4 × 10-3 cm2V−1s−1。 本文中，ADF被用于计算转移积分等计算，用于Marcus–Levich–Jortner理论研究载流子迁移率。 文献： Fengjiao Zhang, Vincent Lemaur, Wookjin Choi, Prapti Kafle, Shu Seki, Jérôme Cornil, David Beljonne & Ying Diao, Repurposing DNA-binding agents as H-bonded organic semiconductors, Nature Communications, volume 10, Article number: 4217 (2019) 

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电子耦合如何决定分子晶体不同晶相的能量稳定性？（Chem. Mater. 2019）

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分子单体之间的电子耦合是决定有机半导体电荷输运的一个关键因素，而这直接受分子排布方式所影响。 Christian Winkler等研究了喹吖啶酮不同晶相下的分子间的相互作用，及其对能量稳定性的影响。为了深入研究这种影响，作者从α晶相喹吖啶酮为原型创建了共面的模型晶体，从而系统地比较电子耦合、总能量与位移的相关性。 通过这种方法确认，泡利排斥以及轨道的再次杂化，促使该体系倾向于电子耦合最低的晶体结构。这种趋势具有一定普适性，并五苯类似物也有这种趋势。 这表明，高性能的材料设计不能依赖有机半导体π共轭骨架结构“自然地”组装，必须引入官能团，引导晶体向更有利的结构方向发展。其中，以短轴位移为目标或实现相当大的长轴位移的策略，值得深入研究。 本文使用了AMS中的BAND模块的pEDA功能，将分子间的相互作用能分解为泡利排斥能、轨道相互作用能、静电作用能。并使用ZORA方法考虑相对论效应对电子动能的影响。 参考文献: Christian Winkler, Andreas Jeindl, Florian Mayer, Oliver T. Hofmann, Ralf Tonner, and Egbert Zojer,  Understanding the Correlation between Electronic Coupling and Energetic Stability of Molecular Crystal Polymorphs: The Instructive Case of Quinacridone,  Chem. Mater. 2019, 31, 7054–7069

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【QuantumATK亮点文章】二维界面原子尺度电接触质量的建模（NanoLett 2019; Small 2019）

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引言 对于传输电信号或能量的界面来说，为了实现高效和稳定的传输，调控接触电阻一直是一个关键的问题。从宏观的多粗糙峰接触到原子尺度的弹道输运接触，接触电阻已经被证明了和“接触数量”，即真实接触面积有着密切的联系。另一方面，在很多情况下，例如对于二维电子器件中广泛存在的二维材料/金属界面或者二维材料/二维材料界面，接触电阻也与“接触质量”密切相关。经典Landauer公式或Richardson公式揭示了接触质量与界面的电子透射概率或界面势垒的性质的关系。然而目前仍然缺乏一个能够将接触质量与界面原子堆垛结构直接联系起来的实空间模型。 成果简介 清华大学研究人员与合作者采用导电原子力显微镜（c-AFM），密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）相结合的方法，研究了石墨烯/Ru界面的原子尺度电输运机理。在此基础之上，他们提出了描述二维界面的接触质量与原子堆垛结构之间的关系的理论模型（ACQ模型）。这个模型可以用来描述接触电阻的原子尺度空间调制现象以及双层石墨烯层间电阻的转角依赖性。该研究以“Modeling Atomic-Scale Electrical Contact Quality Across Two Dimensional Interfaces”为题，发表于Nano Letters. 研究人员利用ACQ模型，进一步探究了扭转双层石墨烯层间电导的空间调制，模型的计算结果与实验现象吻合。后续工作以“Understanding Interlayer Contact Conductance in Twisted Bilayer Graphene”为题，发表于Small。 利用原子分辨率的c-AFM测量石墨烯/Ru界面的局域电导 研究者们测量了Pt针尖/石墨烯/Ru基底组成的体系的电导在AFM针尖扫描范围内的空间分布（图（a））。观察到了局域电导的摩尔纹级别（图（b））和原子级别 （图（c））的空间调制。这种调制现象与先前研究中利用STM观察到的调制现象存在着非常显著的差异，难以直接通过石墨烯表面的LDOS分布来解释。 石墨烯/Ru界面电输运性质的计算和分析 研究者们通过DFT+NEGF的计算，将局域电导的空间调制归因于石墨烯/Ru界面不同位置的电子透射系数，即“接触质量”的差异。进一步的研究表明，透射系数由局域载流子浓度和电子输运路径上的静电势垒决定，其中静电势垒与原子间的距离密切相关。 电接触模型的构建及应用 研究者们通过DFT+NEGF计算并拟合出了“接触质量”随原子间距离的变化规律，并修正了载流子浓度的影响，提出了原子接触质量模型（ACQ模型），揭示了界面原子堆垛结构与界面电导之间的联系。ACQ模型成功地复现了实验中观察到的石墨烯/Ru体系局域电导的摩尔纹级别和原子级别的空间调制。 研究者进一步将ACQ模型应用于扭转双层石墨烯体系。ACQ模型计算出的双层石墨烯层间电阻的转角依赖性与实验结果一致。同时该模型可以综合考虑局域载流子浓度和层间静电势垒的空间分布对局域层间电导的影响，其计算出的Pt针尖/扭转双层石墨烯体系的局域电导分布与c-AFM的测量结果相吻合。 参考文献 Song Aisheng, et al. “Modelling atomic-scale electrical contact quality across two-dimensional interfaces.” Nano letters 19.6 (2019): 3654-3662. Yu Zhiwei, Song Aisheng, et al. “Understanding Interlayer […]

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【QuantumATK亮点文章】复数能带、固体中的衰减态和电子输运（JCP 2017）

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复数能带的概念和求解方法 对于周期性固体，薛定谔方程 Hψnk=EnkSψnk （S为重叠矩阵）中的 ψnk 可以写为 ψnk(r)=e−ik⋅rUnk(r)，这里的 Unk(r) 是与晶体自身周期性相同的周期函数。在一般的能带结构计算中，给定一系列实数的波矢k（通常位于第一布里渊区的高对称方向上） ，可以通过求解上面的薛定谔方程得到不同 k  值上的本征矢，由此确定本征能量 Enk （即能带结构）。 在给定能量 E时，可以求解满足薛定谔方程的 k 值。这种解法可以得到实数和复数的 k，实数 k 的解是通常的 Bloch 态，而带有虚部的解是在一个方向上呈指数递减，相反方向上递增。这样的解通常不能稳定存在于块体材料中，因此在能带结构计算中通常被忽略。然而，它们可以存在于表面或界面处，并且可以提供关于电子态如何在材料中衰减的信息。计算复数能带的方法可参考： Yia-Chung Chang and J. N. Schulman. Complex band structures of crystalline solids: An eigenvalue method. Phys. Rev. B, 25:3975–3986, Mar 1982. doi:10.1103/PhysRevB.25.3975。 复数能带与衰减电子态 下图清楚的显示了复数能带上不同点的波函数形态：实数能带具有完整的周期性，而复数能带则呈现衰减态。 复数能带与电子透射 对于导电结，很自然地可以通过材料的电导-长度依赖性β来表征材料，此依赖性可以通过计算复数能带获得。更多关于复数能带结构的概念和在导电结中的应用，请参考： Jensen, A. et al. Complex band structure […]

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第三代OLED材料性能的第一性原理计算：通过DFT预测TADF逆向系间窜跃速率(JACS 2017)

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前言 由于智能手机电子屏等市场规模巨大，OLED材料和有机电子学是工业发展领域内的研究热点。本教程旨在说明如何模拟和研究OLED材料的高级电致发光现象，包括对该专题进行了一般性介绍，以及具体的研究方法。相关的研究方法主要基于下列文献： P.K. Samanta, D. Kim, V. Coropceanu, J.-L. Brédas Up-Conversion Intersystem Crossing Rates in Organic Emitters for Thermally Activated Delayed Fluorescence: Impact of the Nature of Singlet vs Triplet Excited States, J. Am. Chem. Soc. 139, 4042-4051 (2017). 扩展阅读： Y.Olivier, B. Yurash, L. Muccioli, G. D’Avino, O. Mikhnenko, J. C. Sancho-García, C. Adachi, T.-Q. […]

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超稳定的“俄罗斯套娃”-浓酸碱冷光探针[Hf13]纳米团簇(Angew. Chem., 2019)

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可以同时抵抗高浓度的酸和碱的稳定金属团簇尚为未知。南开大学化学系赵斌课题组联合清华大学化学系李隽课题组，提出了第一个在浓酸(10 M HNO 3)和碱(20 M沸腾NaOH)水溶液中保持结晶状态，具有非凡的化学稳定性的离散中性簇Hf 13(μ4-O)8(OCH3)36。 实际上更重要的是，这是第一个同时能够检测浓碱(20 M NaOH)和强酸(1 M HNO3)的冷光探针，具有较高的选择性和可重复性。 作者使用密度泛函理论对电子结构和成键的理论研究表明，由强(d-p)π键导致该团簇具有很大的HOMO-LUMO能隙，这进一步导致了团簇的超高稳定性。本工作丰富了功能化金属团簇和发光传感器，为进一步构建稳定的团簇基材料奠定了基础。 团簇结构与电子结构使用AMS中ADF模块进行计算研究，使用ADF中ZORA方法考虑相对论效应的影响，并通过电子局域函数ELF对化学键中的电子配对的可能性进行检验。 Bin Zhao, Xiao-Min Kang, Han-Shi Hu, Zhi-Lei Wu, Jia-Qi Wang, Peng Cheng, Jun Li, Ultrastable Matryoshka [Hf13] Nanocluster as a Luminescence Sensor for Concentrated Alkali and Acid, Angew. Chem., 2019

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碳量子点氨基官能化光致发光机理研究(J PHYS CHEM LETT, 2019)

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具有亮红色光致发光(PL)的碳量子点显著拓宽了它们在生物和光电子领域的应用，悉尼大学Evgeny V. Kundelev与香港城市大学Andrey L. Rogach课题组，提出理论模型成功预测碳量子点的氨基官能化不仅让红光偏移到更长波长，而且能够保持碳量子点基础辐射跃迁较强的振子强度。该模型考虑了氨基官能化碳量子点的光学相应，而这是由类似分子的稠环芳烃子亚单元决定的，其中有1~3个氨基修饰于碳量子点表面。 这些亚单位的激发态的具有鲜明特征：氨基和碳量子点的碳芯之间的强电荷分离。这导致了碳量子点光发射的斯托克斯位移。碳量子点表面的氨基数量越大，斯托克斯位移越强。该理论模型解释了实验观察了碳量子点光致发光对激发波长的依赖性。 所有理论计算使用AMS种ADF模块完成，溶剂化效应对发光的影响，使用COSMO溶剂化模型考虑。 Evgeny V. Kundelev, Nikita V. Tepliakov, Mikhail Yu. Leonov,Vladimir G. Maslov, Alexander V. Baranov, Anatoly V. Fedorov, Ivan D. Rukhlenko, Andrey L. Rogach,  Amino Functionalization of Carbon Dots Leads to Red Emission Enhancement, J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 17, 5111-5116

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表面等离激元促使温和条件下纯水固氮(JACS, 2019)

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模拟自然中的固氮环境(相似的环境压力、室温、纯水和入射光)能对未来氮转化提供有效途径。N≡N键的热裂解能非常高，在温和条件下，氮的还原通常经历缔合交替或远端途径，而非通过解离机制。中国科技大学熊宇杰课题组报道，在水与光照条件下，表面等离激元能够为N2解离提供足够的活化能，并通过原位同步辐射的红外光谱和近环境压强下X射线光电子能谱得到证实。 理论模拟表明，表面等离子体增强对电场的增强，以及等离子体热电子、界面杂交可能在N≡N解离中起重要作用。尤其是AuRu芯-天线纳米结构的活性位点以及更宽的光吸附截面，导致在室温和2 atm压力下，在没有任何牺牲试剂的情况下，达到了101.4 μmol/(g·h)的氨生成速率。本项研究成果突出了表面等离激元对惰性分子活化的意义，为开发新型催化体系提供了一个有前景的平台。 结构优化计算采用BP86泛函以及DZP大冻芯基组，并使用ZORA标量相对论方法考虑相对论效应的影响。计算电子密度空间分布时，采用BP86/TZP，并使用Unrestricted方法处理开壳层体系（即α与β电子不完全配对体系）。所有计算使用ADF完成。 Canyu HuXing ChenJianbo JinYong HanShuangming ChenHuanxin JuJun CaiYunrui QiuChao GaoChengming WangZeming QiRan Long*Li SongZhi LiuYujie Xiong*, Surface Plasmon Enabling Nitrogen Fixation in Pure Water through a Dissociative Mechanism under Mild Conditions, J. Am. Chem. Soc.2019, 141,19, 7807-7814

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ADF新功能：Unrestricted开壳层片段的EDA-NOCV分析

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AMS2019.205最新片段分析功能，能够精确地计算开壳层片段的键能分析问题。该版本目前还没有正式发布，用户可以下载最新开发版，尝试该功能：https://www.scm.com/support/downloads/development-snapshots/ 旧版对开壳层碎片，是采用近似的方法：计算碎片时，使用Restricted方法，得到能量与空间分布相同的α轨道和β轨道，然后通过人为调整电子占据方式，近似地得到所需的碎片的电子态。这种方法，对某些体系较容易实现，而对一些体系，则相当困难。 新版允许对开壳层片段进行精确的Unrestricted计算，直接沿用碎片的Unrestricted计算的结果，进行EDA、NOCV计算分析。原则上来说，是精确的处理方式，而旧版则是近似处理的方式。这里我们以Sr(CO)8为例，演示该功能的使用。 该体系相关文献，参考：钙锶钡配合物也遵守18电子规则(Science, 2018）。 请注意该文献使用旧版AMS计算完成，本文使用更精确的新方法重新计算，因此结果略有差别，但对比结果，差异不大。 演示教程参考：https://www.fermitech.com.cn/wiki/doku.php?id=adf:openshellftagmentanalysis_new    

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  • 突破传统：单离子源策略实现铁(I)配合物的温和高效合成研究背景 寻找对现有试剂的低成本、低毒的替代品，一直是均相催化领域的核心诉求。近年来，利用地壳富含的铁元素构建催化剂来取代昂贵且不可持续的贵金属元素，已成为该领域的研究热点。其中，一价铁（Fe(I)）分子配合物更是在诸多工业催化反应中展现出优异的催化性能。然而，性能优势的背后暗藏不可忽视的瓶颈。与第9、10族贵金属催化剂不同，低价铁面临着一个致命缺陷——缺乏化学性质稳定的起始物料。传统合成方法只能高度依赖钾石墨（KC8）或格氏试剂（RMgX）等强还原剂，对二价或三价铁前驱体进行原位还原。这不仅导致催化体系结构不明确，还极大地限制了反应的官能团兼容性。尽管此前学界曾尝试通过氧化铁羰基化合物或高价铁化合物还原法制备双夹心铁芳烃配合物，但往往因发生歧化反应难以分离得到纯净产物，最终功亏一篑。针对这一痛点，Oliver P. E. Townrow 等人在国际顶尖化学期刊 JACS 上给出了破局之法，课题组成功开发出一种在固态下对空气稳定的单核一价铁夹心配合物 [Fe(durene)2]+（durene = [...]
  • 基于密度泛函的磷酸钠化学蓄热材料失效机理研究研究背景 磷酸钠水合物是建筑环境中极具前景的蓄热材料。在蓄热过程中，该材料可能发生水解反应，导致材料变性，从而限制其工程应用。基于复合改性的循环实验室探究，本团队已经突破了材料的百次循环可用性，但依旧存在少部分磷酸钠活性组分水解失效的发生。了解并限制磷酸钠水合物的水解反应成为了工业应用研究的重点。然而，在跨季节蓄热系统的工作条件下，关于水解反应的可能性及其与脱水反应的竞争关系，在蓄热系统中的相关信息仍不明晰。因此，通过理论计算，可从本质上解释磷酸钠蓄热材料在跨季节蓄热领域下随温度，压力工况变化的水解/脱水反应偏好行为。 研究内容 中国科学院广州能源研究所黄宏宇研究员和新加坡南洋理工大学 Fei Duan 教授课题组合作，采用密度泛函计算结合热力学分析的方法，系统研究了不同水合数（n=0-12）的磷酸钠水合物的分子结构，以确定其稳定构型。此外，计算了磷酸钠及其水合物的频率谱，进而用于计算蓄热过程中吉布斯自由能变，以获得脱水反应和水解反应的 P-T 图，并最终明确了磷酸钠水合物的微观失效机理。该研究结果为可为预防和消除磷酸钠热化学蓄热材料在跨季节蓄热领域应用中的失效问题提供了有利的理论依据。 图1. [...]
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  • 首例稳定低价态铟氢化物：合成瓶颈的突破与亲核反应性得的探索导语 较重主族元素的低氧化态氢化物因极度不稳定而长期被视为“难以捉摸”的研究难题，然而，Oriol Planas 教授团队近期在《Journal of the American Chemical Society》发表的题为《A Crystalline [...]

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