ReaxFF教程：使用ReaxFF中巨正则蒙特卡洛（GCMC）方法模拟锂化放电过程的电压特性

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英文教程 点击此处下载英文教程 英文教程阅读说明 准备知识 该功能版本号≥2017.211，下载地址：https://www.scm.com/support/downloads/development-snapshots/，svnRevision大于r62841的都可以 熟悉ReaxFF建模、保存任务、提交任务等基本操作 熟悉巨正则系综的含义更好 知道如何在命令行里面运行命令（本教程需要在命令行运行一次分析命令，得到电压特性数据） 知道如何将数据从文本格式转移到Excel中，并生成曲线，参考：如何从图谱中导出数据到Excel表格 阅读说明 该教程非常详细，实际上初学者也可以照着说明一步一步做出来，当然结果会有差异，这是正常的。本教程主要包含如下几个小节： 从外部导入Alpha硫晶体的*.cif文件，分别采用NPT系综低温弛豫（ADFinput > ReaxFF > Main > Task: Molecular Dynamics）、能量最小化（ADFinput > ReaxFF > Main > Task: Geometry Optimization）来得到其平衡结构。需要说明的是，教程中能量最小化得到的能量是-8535.99 kcal/mol，实际我们得到的能量可能更低。 计算Li原子的化学势：计算体心立方锂晶体的8*8*8超胞（共512个Li原子）的能量，除以512，即得到Li原子的化学势-37.70kcal/mol 对Alpha硫晶体进行巨正则系综蒙特卡洛模拟 从上一步GCMC模拟生成的*.rxkf文件中，抽取电压特性等数据：将LiVoltageProfile.py文件和*.rxkf放到同一个文件夹内，在ADF环境变量对当前命令行生效的前提下，在命令行执行：startpython LiVoltageProfile.py gcmc_test.rxkf。将生成一个文件，名为voltage_profile.out。该文件实际上是一个文本文件，给出了4列数据，其中第二列是LixS中的x值，第三列是电压，第四列是体积变化。用户可以自行用这两列数据生成教程中的曲线 上面这几步的计算模拟文件（请点击此处下载），在阅读困难的情况下，可以辅助您阅读教程，但由于GCMC这一步很耗时间（对应文件gcmc_test.adf），可能需要一天左右才能完成，因此设置的参数数值放宽了条件，没有教程里面那么严格，因此这一步仅供参考。

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ADF中ReaxFF的新功能：局域温度分布、原子电荷分布的可视化

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ADF最新开发版r63428(最新开发版下载地址：https://www.scm.com/support/downloads/development-snapshots/)，能够计算原子的温度以及在空间上的均值，并自动保存在轨迹文件中。该功能通过在*.run文件中control区域添加如下两行内容开启： 1 localt Request local temperature averaging between atoms 3.0 localr Set the awarness radius to 3.0 Å (Default 5.0) 其中1 localt表示开启该功能；3.0 localr表示设置局域范围半径设置为3.0埃，默认值为5.0埃。 通过ADFMovie窗口中，为每个原子着色，来表征原子的温度分布，不同颜色表示不同温度： 除了原子温度以外，如上图所示，还增加了加速度、压力、速度、原子电荷分布等数据的图形化显示。 例如下面的视频演示了温度梯度、热的波动情况： 该模型是用ReaxFF的分子枪功能，入射一个石墨烯球形分子到石墨烯片层上，导致的温度传递。分子枪功能参考：水分子在石墨烯表面形成水簇的模拟（分子入射、沉积）或者：https://www.scm.com/doc/Tutorials/ReaxFF/Bouncing_a_buckyball.html

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ADF Highlight：神奇的钍-砷多键（ Nature Comm., 2017）

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参考文献： E. P. Wildman, G. Balázs, A. J. Wooles, M. Scheer, and S. T. Liddle, Triamidoamine thorium-arsenic complexes with parent arsenide, arsinidiide and arsenido structural motifs, Nature Comm. 8, 14769 (2017). 2017年Nature Communication报道了钍与体积较为庞大的triamidoamine配体形成钍-砷多重键，从而得到稳定的结构。文章使用ADF的相对论密度泛函理论，研究了ThAs(H)K、ThAs(H)Th、ThAsTh)的键合作用，并展示了从5f、6d、7s轨道生成的极化多重共价键。 这项研究进一步提高了对锕系配合物多重键的基础认知，最终有助于核废料处理过程中的配体设计。另外可以参考：novel uranium complexes。 以及其它相关文献： Thorium–phosphorus triamidoamine complexes containing Th–P single- and multiple-bond interactions, Nat. Comm. 7, 12884 (2016). Isolation of Elusive HAsAsH in a Crystalline Diuranium(IV) […]

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ADF Highlight：次锕系元素中的共价键合（JACS, 2017）

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参考文献： M. P. Kelley, J. Su, M. Urban, M. Luckey, E, R. Batista, P. Yang, and J. C. Shafer, On the Origin of Covalent Bonding in Heavy Actinides, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 9901–9908 (2017). 在核燃料循环中，将高放射性次锕系元素从镧系和其他裂变产物中分离出来，对于使用过的核燃料回收再利用，以及核废物储存，都是至关重要的。通常通过锕系元素与配体之间的相互作用差异来进行分离。上世纪四十年代，学界已经热烈争论过锕系-配体之间的“共价”概念，假定次锕系元素形成了部分共价键，导致其5f轨道与配体轨道混合。 著名的洛斯阿拉莫斯国家实验室使用ADF中的相对论密度泛函理论，研究了Am、Cm、Bk、Cf离子与DPA（dipicolinate）配体之间的成键。通过实验热力学测量，观察到Cm和Bk之间络合能的差异；并发现这个差异与锕系5f轨道能量降低到配体的配位氧原子2p轨道能级附近，以及5f轨道的离域性有关。分离过程常常有赖于络合能的这种微小差异，而能量的（近）简并导致共价的机制，可能为锕系分离方法设计带来新的策略。  

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ReaxFF教程：ReaxFF计算锂离子扩散系数

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最新的ADF2017在ReaxFF中增加了“通过轨迹直接计算”、“通过高温外推”两种方法，计算（致密）材料中离子扩散系数。 体系范例、流程参考文献： ReaxFF molecular dynamics simulations on lithiated sulfur cathode materials, Md Mahbubul Islam, Alireza Ostadhossein,  Oleg Borodin,  A. Todd Yeates,  William W. Tipton,  Richard G. Hennig,  Nitin Kumar  and  Adri C. T. van Duin* ,Phys. Chem. Chem. Phys., 2015,17, 3383-3393 本教程以LixS为例，计算锂离子的扩散系数。 技能要求 熟悉ReaxFF的基本操作（参考费米维基ADF知识库） 一点点命令行操作常识（需要在命令行执行2个命令处理结果，从而得到扩散系数。其中Windows系统参考：Windows如何进行ADF的命令行操作；Linux、Mac可以直接打开命令行，但前提是ADF的环境变量在当前命令行是生效的，否则找不到所使用的这些ADF内部命令） 将文本数据导入Excel表格（参考：如何从图谱中导出数据到Excel表格） 英文教程下载 请点击此处。 教程说明 第一节：从网上下载cif文件，导入ADFinput中，并Edit → Crystal → Map atoms to (0..1)适调晶格坐标，并使用NPT系综，进行低温“弛豫”的方法，优化结构 第二节：生成两种不同x值的LixS无定形结构 第三节：通过NVT系综进行退火：升温、迅速降温；之后用NPT系综使体系达到平衡（因为退火时，结构可能发生收缩，但由于NVT系综的晶格常数是不变的，因此这样的结构并不稳定，需要用NPT系综使其达到稳态）。教程中温度上升、下降是退火过程的结果；密度增大，是NPT模拟过程的结果 第四节：这里开始，正式计算扩散系数：基于前面得到的结果，再次进行NVT计算：1600K、110000 steps、10000 non-reactive steps。注意需要加一个关键词：1 itrout，也就是itrout这个变量赋值为1。MD完成之后，进入命令行，分别执行两个命令，从而最终在生成的*.log文件中得到扩散系数 […]

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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 […]

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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 […]

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ADF Highlight：六氯化镅中的5f共价电子（JACS, 2017）

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参考文献： J. N. Cross, J. Su, E, R. Batista, S. K. Cary, W. J. Evans, S. A. Kozimor, V. Mocko, B. L. Scott, B. W. Stein, C. J. Windorff, P. Yang, Covalency in Americium(III) Hexachloride,  J. Am. Chem. Soc.,2017,139, 8667–8677 (2017). 本文结合Spin-Orbit Coupling DFT与跃迁偶极矩方法，计算分析了六氯化镅中氯K边XAS，观察到了Am-Cl键中5f与3d轨道混合的直接证据。 结合实验上氯K边XAS的数据，对比AmCl63- 和等电子的EuCl63-，确认了Seaborg在1954年提出的假设：AmIII 的5f轨道共价比EuIII的4f轨道混合更牢固。 ADF软件中，激发态计算orbital-difference DFT的设置方式：ADF input > Properties > Excitations(UV/Vis), CD > Method > […]

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ReaxFF教程：优化ReaxFF力场

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费米维基发布了综合使用ADF模块和ReaxFF模块，对ReaxFF力场进行优化的中文基础教程。详细教程请见：http://www.fermitech.com.cn/wiki/doku.php?id=adf:optimizeff。ADF软件集成了使用蒙特卡洛方法优化力场参数的脚本，目前已经可以较为方便的使用。  

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【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)

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  • Janus MoSi2N2P2 单层在纳米器件和光电晶体管中的应用研究背景 二维 MA2Z4 材料因具有优异的热稳定性、力学稳定性、可调电子结构和较高载流子迁移率，已成为低维电子学和光电子学中的重要候选体系。Janus 结构通过在材料上下表面引入不同原子层，打破面外对称性，为调控能带、极化、输运和光响应提供了新的自由度。此前 Janus MoSi2N2P2 的稳定性和光学性质已有理论预测，但其电子输运、场效应调控和光电响应等器件行为仍需进一步阐明。 研究内容 该研究首先构建了 α1 和 α2 相的 MoSi2N2P2、Mo(SiNP)2-A 和 [...]
  • QuantumATK 低维电子材料与器件合集（八）Cs3Cu2I5 中双功能氨基酸的烷基链工程实现优异的光电性能 无铅的 Cs3Cu2I5 钙钛矿具有低维结构和自捕获激子发射的特点，在可持续光电子学方面具有重要的前景。虽然机械球磨有环境友好和可扩展的优势，但合成 Cs3Cu2I5 的光电性能往往受到铣削过程中引起的晶格畸变、表面缺陷和颗粒团聚的限制。为了克服这些挑战，通过理论计算和实验验证相结合的方法，提出一种基于氨基酸的烷基链工程钝化策略。密度泛函理论表明，多功能氨基酸和烷基链协同钝化了 Cs3Cu2I5 表面缺乏配位的 Cu+ 和易于产生深层次缺陷的碘空位。有趣的是，延长的烷基链显著增强了改性效果。随后的实验和计算进一步证实，较长的烷基链通过氢键网络、位阻和内部电场与多个官能团相互作用，有效增强了光致发光、延长载流子寿命、抑制聚集、提高晶粒致密性。值得强调的是，5 – AVA 修饰的 Cs3Cu2I5 获得 75.6% 的 PLQY（增强 56.8%），延长了 12.6% 的载流子寿命，并显著增强紫外区光响应。此外，用这种分子工程绿色钙钛矿制作的光电探测器在 PDRC 和开关比方面分别提高了近 4 倍和 171%。这种理论指导的烷基链工程分子协同多官能团钝化策略为绿色合成光电性能优越、环保无铅的铜基钙钛矿建立了强大的框架。（Journal of Materials Chemistry C 2025 46: 23134-23148. [...]
  • 对称性感知生成发现新型反铁磁材料研究背景 自旋电子学通过利用电子自旋而不仅是电荷来存储和处理信息。当前磁随机存储器等器件大多依赖铁磁体的宏观磁矩进行读写，但铁磁体容易受到外部磁场干扰，并会产生杂散场，限制器件高密度集成。反铁磁体（AFMs）中相邻自旋反向排列，净磁矩为零，因此天然具备抗磁场干扰、低杂散场和太赫兹尺度超快磁动力学等优势。 然而，判定一个材料是否具有反铁磁基态，并非仅由化学组成决定。在高对称性的磁性晶体结构中，位于不同空间格点的磁性原子，其自旋构型可能更容易满足空间反演和时间反演的联合对称性。这种对称性将导致自旋向上与自旋向下的能带完全简并，从而形成反铁磁序。因此，反铁磁材料的发现本质上是一个多维度问题，需要同时兼顾化学空间的广度、几何结构的合理性以及晶体对称性等多重约束。 近年来，深度生成模型在晶体逆向设计中展现出巨大潜力1-4。但现有生成模型普遍缺乏对晶体对称性的显式编码，导致其生成高对称结构的效率偏低3 4，往往更倾向于产生低对称性乃至 P1 空间群的结构，难以系统地探索反铁磁材料更可能涌现的高对称空间。 研究内容 杭州电子科技大学张正明副教授等人提出了一种名为SG‑CDVAE的生成框架。他们将晶体对称性这一关键物理信息嵌入到生成模型架构中，从而实现对高对称反铁磁材料的定向设计。SG-CDVAE 以 [...]
  • 原位聚合限域实现高效蓝光钙钛矿 LED(Nature 2026)本文使用元宝 Hy3 preview 模型总结归纳 。 摘要 金属卤化物钙钛矿因其优异的光致发光特性，已成为颇具前景的发光二极管半导体材料。然而，其性能仍受限于在衬底上原位合成钙钛矿纳米晶过程中“高结晶度”与“小尺寸”之间的固有矛盾。本文报道了通过原位聚合驱动的纳米晶限域策略，合成了由高质量纳米晶组成的钙钛矿薄膜，从而实现了高效的蓝色钙钛矿发光二极管。原位形成的聚合物网络在钙钛矿纳米晶生长过程中施加了纳米尺度的空间限域作用，使纳米晶兼具小尺寸和 83% 的高光致发光量子产率。此外，具有足够配位位点的可聚合单体延长了钙钛矿团簇的晶格重排时间，从而提升了纳米晶的结晶度。所合成的钙钛矿纳米晶用于制备发光二极管后，在 491 [...]

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