QuantumATK:材料界面的建模和模拟

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概述 块体材料的研究已经非常成熟,因此材料的表面与界面的重要性就格外的凸显出来。新型材料越来越复杂,不同材料组成的异质界面成为许多功能器件的基础,最常见的一个例子是半导体领域里的含有高k介电材料的多层门电极堆叠。由于界面层往往很薄,其中的缺陷起着十分重要的作用,这需要在原子级别上描述结构,才能充分考虑杂质、空位等对性质的影响;同时,只有进行基于量子力学的计算模拟,才能计算例如肖特基势垒和漏电流等。在原子级别上对材料表面和界面进行量子力学的模拟正是 QuantumATK 最为擅长的领域。   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 模型来描述界面体系,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、表面与界面之间存在相互影响; 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。 双电极界面(Two-probe interface)模型与性质计算 采用双电极界面模型模拟材料界面,比Slab模型更加便捷,可以避免Slab模型的上述问题。此外,双电极模型还可以更好的研究: 异质结的电流-电压特性,例如: 漏电流 金属-半导体界面的肖特基势垒 磁性隧道结的自旋输运 缺陷(杂质和空位)对输运性质的影响; 界面上的电荷转移 使用QuantumATK研究界面体系的优势 通用、高效的计算引擎 QuantumATK 计算基于第一性原理,因此可以用于研究全新材料的各种性质,例如: 传统金属-半导体界面 高k介电材料 金属、半导体纳米线 纳米管、金属纳米管接触 原子簇 等等 QuantumATK 中使用局域基组展开方法,尤其适用于研究局域化缺陷(杂质、空位等),ATK-DFT计算引擎可以计算千原子级别的体系的性质。ATK-SemiEmpirical 则可以计算更大的体系。 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: 方便快捷的材料表面建模工具 强大的材料界面结构建模工具 最合理的界面结构优化方法 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 亮点文章 QuantumATK 在材料界面的最优超胞建模中的应用(D. Stradi, L. Jelver, S. Smidstrup and K. […]

QuantumATK在电池材料模拟与设计中的应用

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概述 QuantumATK 包含 DFT、DFTB、ForceField 等尺度级别的原子级材料模拟方法和大量材料学模型构建和性质分析模块,特别适合分析如电池材料等复杂材料体系的性质。QuantumATK 在研究电池材料方面有如下功能特点: 材料模型与数据库 晶体、缺陷、表面、界面等建模工具 支持从 Materials Project 和 COD 数据库中导入结构模型 材料数据库私有云框架,可以自建材料数据库 复杂材料模型 随机合金、空位、缺陷、表面、界面、纳米粒子等材料模型 聚合物材料模型,可以构建和研究线性和交联聚合物材料 超大体系与电解质等复杂体系 支持 MTP 机器学习力场,包含完整的力场训练、验证和使用的程序框架 用于常见电解质的新型键合力场,可以定制电荷和进行原子类型分配 在 GUI 中方便地调用键合力场,还可以将键合力场和常规力场结合使用 图形用户界面提供力场编辑工具,可编辑力场所有项,方便的设置部分电荷,模拟静电相互作用 从分子动力学得到振动光谱,理解分子间的相互作用和液相溶剂化 高效率高精度的第一性原理计算 密度泛函理论(DFT)可以研究数千原子体系 对更接近实际尺寸的模型进行第一原理计算计算 使用杂化泛函,包括 HSE06、PBE0、B3LYP、B3LYP5,更精确的计算电子结构,结合能和扩散势垒 与平面波基组相比,使用 LCAO 基组可将速度提高 100 倍,从而实现高效的大规模模拟 更精确的模拟结合能,找到吸附位点 表面性质研究工具 独有的单电极表面模型 特别适合研究表面吸附,以及在电场情况下的表面物理化学性质 分子在表面吸附的高级建模工具 快速定位吸附位点,创建指定覆盖度的吸附模型 表面过程建模和热化学分析工具 用于模拟电极表面上的反应 界面性质研究工具 独有的双端无限界面模型 特别适合研究界面体系的结构、电子态、导电以及动力学性质 大规模固体电解质界面(SEI)模拟 使用力场计算可以研究复杂的界面结构和动力学  使用 QuantumATK 可以研究: 正极材料 […]

QuantumATK在电子材料与器件中的应用

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概述 微电子学是当今对我们的日常生活有着重要影响的技术,尤其是在通讯、计算、消费电子、健康、运输、环境和安全领域。为确保高性能、高能效电子器件的发展,工业界开始着眼于可能部分替代传统硅晶体管的III-V族化合物、新兴二维电子材料等体系。而要高效寻找新型电子材料离不开原子级别的材料学计算模拟工具,这些工具在纳米电子领域的广泛应用节约了大量的开发成本和实现市场化的时间。 随着半导体器件特征尺度的小到纳米级别,对相关材料与器件进行基于量子力学的原子级别模拟显得越来越重要。这为传统的基于量子力学的材料模拟方法提出了很多的挑战,QuantumATK从建模工具、计算方法、分析工具等完整的模拟平台入手,致力于解决这些问题,为半导体器件的模拟提供有效、可靠、快捷的工具,特别双极器件模型的引入可以直接研究诸如pn结等复杂异质结构的各种性质。 QuantumATK 提供的模型和工具 电子态  计算半导体材料的能带、态密度、电子密度、电势等 使用HSE06、MetaGGA、DFT-1/2、PPS等多种泛函得到半导体的精确带隙 详见:材料电子态性质研究工具 光学与光谱性质 计算带隙材料的介电函数(实部和虚部)谱,得到光吸收谱、折射率谱等 详见:材料光学和光谱性质的计算模拟 化合物半导体合金 使用有效能带模型或SQS模型研究合金半导体 载流子性质 分析载流子的有效质量张量 载流子迁移率。计算电子态、声子态以及完全的电声耦合矩阵,得到载流子的迁移率、霍尔系数、塞贝克系数等输运性质,以及输运性质受温度的影响 详见:材料载流子与导电性质计算模拟工具。 多层堆叠和能带排列 材料界面模型。直接创建半导体/氧化物/金属等材料界面模型或多层堆叠结构,采用更高效的方法对界面处进行有效的优化。 肖特基势垒。方便的进行金属-半导体接触界面建模,分析耗尽层的电势,直接得到肖特基势垒的形状;直接计算PLDOS得到能带弯曲情况,深入分析半导体-金属接触部分的电学特性。 能带排列。直接对界面等复杂体系进行局域投影态密度(PLDOS)的计算,可以十分方便的作出不同区域的能带情况,研究指定位置的态密度。 Sentaurus Materials Worksbench 半导体材料模拟工具套件,可以用于多种复杂模型的计算模拟与仿真,例如:  点缺陷性质:形成能与扩散动力学 以第一原理计算为准对半经验能带模型(有效质量模型、k.p模型等)的参数进行校正 从第一原理结果中提取能带示意图 金属晶界电子散射和电阻率计算 详见:Sentaurus Materials Workbench简介。 在原子水平上对电子器件进行仿真 QuantumATK中成熟的双电极器件模型(Two-probe device model)和非平衡态格林函数方法(Non-Equilibrium Green’s Fucntion, NEGF)是研究器件在偏压下的电子输运性质的有力工具。在双电极器件模型的基础上,QuantumATK还可以使用高级的静电势模型,在器件区域增加具有指定介电常数的绝缘区域和具有特定电压的金属区域,用于模拟FET器件的转移特性,并分析开关比、亚阈值斜率、DIBL等等。 详细介绍参见: 非平衡态格林函数方法与电子输运计算引擎 电子器件性能仿真工具 精选论文 参考内容 QuantumATK平台的“终极”参考文献正式发表 QuantumATK功能列表 新兴低维电子材料研究 光伏材料的计算模拟与器件仿真 立即试用 QuantumATK! 下载QuantumATK软件安装包 申请QuantumATK的全功能试用许可

全国纳米材料与器件模拟研讨会暨VNL-ATK Workshop 2015在华中科技大学成功举办

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由 QuantumWise 公司、华中科技大学物理学院与费米科技(北京)有限公司共同主办的“全国纳米材料与电子器件模拟研讨会 暨 VNL-ATK Workshop 2015” 于 2015年10月23-25日在武汉华中科技大学成功举办。此次会议得到了来自全国的相关领域的老师和同学的积极响应和大力支持。 10月23日的专题报告会上,首先由华中科技大学物理学院姚凯伦教授做了开幕致辞,随后 Kurt Stokbro 博士与董栋博士为与会代表介绍了VNL-ATK 2015版新功能和相关领域研究的最新进展。之后来自全国各研究单位的 ATK 软件资深用户作了精彩的报告,和大家一起分享和交流科研经验,全部的报告题目有(幻灯片下载见文末): Kurt Stokbro (QuantumWise):主题报告与新版发布 陈克求(湖南大学):纳米尺度器件电子输运、热输运及其热电性质研究 吕劲(北京大学):二维材料的肖特基势垒的确定 范志强(湖南大学):分子开关器件的理论设计与电子输运研究 高国营(华中科技大学):半金属磁体CrS的自旋输运性质研究 郭艳东(南京邮电大学):”最小的”纯碳逻辑门器件 朱琳(华中科技大学):纳米器件的量子输运性质研究 王洋洋(北京大学):全金属性垂直狄拉克材料晶体管 在 10月24-25 日的VNL-ATK 软件培训课程中,我们采用理论与上机实践相结合的方式为大家讲解 ATK 和 VNL 的基本操作、使用技巧和最新功能,重点对大家最关心的如何进行可靠的器件电子输运计算进行了详细的讲解,并安排充分的时间与学员进行探讨与交流。实例包括: 实例1: SiC 电子态计算 实例2: 单层MoS2的声子能带 实例3: 石墨烯纳米带(GNR)的输运性质 实例4: 界面的建模和优化 实例5: 自旋轨道耦合计算 实例6: 非共线自旋计算 实例7: 非弹性透射谱(IETS) 实例 8: 分子动力学模拟原子轰击石墨烯 实例 9: 导电分子结的建模 […]

VNL-ATK 2015 正式发布

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VNL-ATK 2015 版已经于 2015年10月21日正式发布,此版本包含了众多的新功能和显著的性能提升。 新功能概览 电子-声子相互作用 计算非弹性的电流、畸变势和迁移率 新的作业管理工具 可以向本机或远程服务器提交串行、并行计算任务(【详情】) 新的分子动力学(MD)和离子动力学功能 图形界面上新增多种MD结果分析函数,例如速度自相关函数、角分布函数、均方位移等 使用动量交换的非平衡态分子动力学(NEMD)计算(器件体系)热导 全新的刚体+一维最小化方法优化界面和器件结构 全局优化算法(用于晶体结构和相稳定性预测) ATK-Classical中新增core-shell等多种势函数 NEB计算的并行化 适应性动力学蒙特卡洛(KMC)模块,可以用于寻找反应路径,估计反应速率指前因子(HTST)以及粗粒化时间加速的MD 半导体材料模拟新功能 DFT计算的虚晶近似(VCA) 随机合金等体系超胞的有效能带分析 MGGA-TB09中可以对不同材料指定不同的c参数 图形界面上新的掺杂小工具 性能与并行计算提升 大幅提高计算和并行性能(充分使用稀疏矩阵技术),减少计算的内存和时间需求 VNL图形界面现可以处理百万数量级原子数体系 NEB计算基于路径上结构数的并行(较上一版本提速最多25倍) FHI-aims的Python接口 VNL支持其他计算代码 LAMMPS:导入、导出几何结构,用VNL的图形界面的MD分析工具和动画工具分析结果 Quantum ESPRESSO:导入导出工具,分析电子密度、态密度、能带等结果 增强VASP计算接口 VNL中嵌入OpenBabel支持 马上下载VNL-ATK 2015.0! 使用许可(License) 为运行此版本的软件,您的license文件中需要明确支持15.0或更高。我们将向所有购买时承诺更新至2015新版的用户提供免费更换license的升级服务。VNL-ATK的老版本用户可以付费升级,请与我们联系。 学术用户可以免费获得VNL图形界面的license。 为运行ATKClassical或在Builder中使用此功能,license文件中需要包含ATKClassical的信息,此功能免费向学术用户提供(学术用户的免费VNL图形界面使用许可也包含此功能),也可以与其他计算功能一同购买。 FHI-aims功能需要单独授权,欢迎与我们联系。 VASP接口(含生成输入文件、分析输出文件等功能)需要license文件中包含ATKVASP功能。所有购买了ATK-DFT/SE的用户都将免费获得此功能。VNL图形界面用户可单独购买VASP接口license,欢迎与我们联系。(注意:用户需自行获得VASP使用授权并正确编译安装。QuantumWise和费米科技都不提供任何形式的VASP代码和使用许可。) 其他感兴趣的老师和同学,欢迎与我们联系获得全功能的试用许可。 VNL-ATK 2015新功能 电子声子耦合 Quasi-inelastic(LOE)和fully inelastic XLOE 电声散射电流电压关系 可以使用ATK内提供的各种理论方法进行电子和晶格部分的计算 使用DFT、SE等计算电子部分 使用DFT、DFTB、经验势等计算声子(DFT计算声子可能非常耗时) 块体材料导出电子-声子散射矩阵 计算畸变势和迁移率(玻尔兹曼方程) 不限于弛豫时间近似 […]

ADF Highlight:二氧化钛表面的半胱氨酸液滴的ReaxFF模拟

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参考文献: S. Monti, C. Li, H. Ågren, V. Carravetta, Dropping a Droplet of Cysteine Molecules on a Rutile (110) Interface: Reactive versus Nonreactive Classical Molecular Dynamics Simulations, J. Phys. Chem. C 119, 6703–6712 (2015) 基于反应力场的分子动力学模拟,已经被证明非常适合模拟半胱氨酸分子液滴在二氧化钛表面(金红石110表面)的吸附,与XPS光谱结果一致性很好。在过去的几年里,ReaxFF参数已经能够精确地描述钛、二氧化钛、所有种类的氨基酸,以及不同种类的二氧化钛衬底上,气相、水溶液液氨基酸与衬底之间的相互作用。 整个吸附过程都可以用ADF中的ReaxFF模块进行高效的模拟和表征,并最终揭示了氨基酸液滴的组成、它与表面的结合模式以及决定了氨基酸簇尺寸和形状的自组装力。

ADF Highlight:光化学诱发的分子内六电子还原消除和氧化加成

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参考文献: W. A. Thornley and T. E. Bitterwolf, Photochemically Induced Intramolecular Six-Electron Reductive Elimination and Oxidative Addition of Nitric Oxide by the Nitridoosmate(VIII) Anion, Angew. Chem. Int. Ed. 54, 2068-2072 (2015) 高键级小分子(例如N2、O2、NO+)的氧化加成和还原消除一直是过渡金属化学关心的问题。使用傅里叶变换红外线光谱分析仪(FTIR)在低温的矩阵分离条件下,通过检测锇酸盐VIII离子OsO3N–的光化学,研究此类反应的机理以及中间体。发现OsO3N– 从配体到金属的电荷转移 (LMCT)的激化,导致了氮氧键的形成,从而产生了主要产物锇亚硝酰基配合物OsO2(η1-NO)–,以及一种少量的中间体,由于与锇-氧键拉伸区的重叠,结构不能被FTIR完全解析。作者发现亚硝酰基光化产物和它的具有可见光波长的光化中间体的光化反应,导致全部逆转到锇酸盐父辈配合物。这些转化是亚硝酰基配体完全可逆的6电子还原消除和氧化加成的首次案例报导。 ADF的密度泛函计算揭示了对应OsVI硝酰基配合物 OsO2(η2-NO)–的一个局域能量最低点,这是锇酸盐与OsO2(η1-NO)–光化产物的中间态。计算的振动频率,以及15N替换 OsO2(η2-NO)–的计算,与实验观察到的光化中间产物硝酰基配合物一致。实验与DFT计算的结果表明,整体的转移分为两步进行: Nitridoosmate的双电子还原消除反应产生一个硝酰基配体;硝酰基配合物的四电子还原消除产生主要硝酰基光化产物。

ADF Highlight:金-炔基化合物中的金-碳成键

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参考文献: H.-T. Liu, X.-G. Xiong, P. D. Dau, Y.-L. Wang, D.-L. Huang, J. Li, and L.-S. Wang, Probing the nature of gold-carbon bonding in gold-alkynyl complexes, Nature Comm. 4, 2201 (2013). S. K. Ritter, Probing Gold’s Catalytic Prowess, Chem. Eng. News, 91, 24 (2013). 参考功能:Chemical bonding analysis with ADF 这是布朗大学和清华大学(李隽教授课题组)联合完成的一项研究。通过结合光电子谱检测和相对论量子化学计算,对金-炔基配合物中的金-碳键成键过程进行了研究分析。此工作的重要性在于对催化机理和活性中间体的理解,已经发表在Nature Communications杂志上,并被Chemical & Engineering News重点推荐。 通过高精度的从头计算,发现了一种非常罕见的键级和键强相反关联的关系。”强金-碳键解释了金配合物对终端炔基-金中间体形成的高催化活性,以及碳-碳三建激活原理。”作者如是说。

ADF Highlight:银、金纳米颗粒的光学性质

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参考文献: D. Crasto, G. Barcaro, M. Stener, L. Sementa, A. Fortunelli, and A. Dass, Au24(SAdm)16 Nanomolecules: X‑ray Crystal Structure, Theoretical Analysis, Adaptability of Adamantane Ligands to Form Au23(SAdm)16 and Au25(SAdm)16, and Its Relation to Au25(SR)18,  J. Am. Chem. Soc., 136, 14933-14940 (2014) G. Barcaro, L. Sementa, A. Fortunelli, and M. Stener, Optical Properties of Silver Nanoshells from Time-Dependent Density Functional Theory […]

 
  • 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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