AMS2023 中 TDDFT+TB 的解析梯度大幅度提供激发态优化效率

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激发态在光化学机制中起着至关重要的作用,直接影响寻找新的高发光材料、光催化剂、荧光探针、光伏器件等的能力。然而大分子体系和纳米团簇的激发态势能面计算非常昂贵。为了解决这个问题,2016 年在 ADF 中加入了 TDDFT+TB 方法。受 Stefan Grimme 的 sTDA 和 sTDDFT 方法启发,TDDFT+TB 在线性响应TDDFT 中使用单极近似而不是耦合矩阵积分,大幅降低了计算激发态能量的成本。 在最近的一篇论文中,研究人员利用 Z-矢量方法推导了 TDDFT+TB 的解析梯度,并将代码实现到 AMS 中的 ADF 引擎中,并已于2023年发布。作者测试了总共60个不同的化学体系,包括9个双原子分子、26个小有机分子、一个裸金纳米团簇核心、10个配体保护的贵金属纳米团簇和14个发色团。作者发现,与 TDDFT 相比,这种方法的时间成本仅为三分之一,能够用于更大的分子体系的发射能量和激发态几何结构计算。 总之,解析梯度的 TDDFT+TB 是一种有用的工具,大幅度降低了激发态几何结构优化的计算成本,同时保持了 TDDFT 的准确性。

AMS2023版发布

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AMS(Amsterdam Modeling Suite)发布了2023正式版,在ReaxFF分子动力学、材料力学性质模拟、化学反应分析与探索,以及DFT高精度计算尤其是GW方法、RPA近似方面有所改进。更详细的新功能介绍与教程,我们将会在AMS知识库中逐渐新增。 计算引擎 机器学习力场 M3GNet-UP-2022 几乎适用于所有材料升级的ASE 接口用于AMS、PLAMSQuantum ESPRESSO 7.1  (适用于 Linux/Mac)TASKCC 泛函:提供更好的原子化能量分子体系DFT计算:r2SCAN-3c(STO)RPA 近似:sigma-functional限制性开壳层分子计算(要求整数占据,自旋极化>0),及其TDDFT计算溶剂化方法 3D-RISM 计算焓、溶剂化自由能TD-DFT+TB 激发态结构优化分析: 新的 NOCV 选项, 基于 SFO 的准粒子轨道, 新的PolTDDFT 分析选项,开壳层  IQA(Interacting Quantum Atoms) 光谱:GW-BSE: Bethe Salpeter equation:G0W0-BSE, evGW-BSE, qsGW-BSE,含自旋轨道耦合ECD谱(含自旋轨道耦合)开壳层杂化泛函计算激发能的HDA近似,能够节省大体系计算量磷光发射等Franck-Condon谱计算:自动考虑振动激发量子数周期性体系DFT计算:自洽迭代收敛性改进增加了 GTO 基组选项MP2、RPA 近似、GW 方法计算分子 有机电子学 qsGW+BSE 精确计算激发能(可考虑自旋轨道耦合)OLED workflows 更多新工具(包括更精确的电子态、激发态性质,以及GPU加速的LAMMPS分子动力学)振动极化率 化学反应 ACE-Reaction: 反应网络的快速预测分子动力学纳米反应器:通过球形约束反应器的周期性的膨胀收缩,加速气相、液相、超临界相化学反应事件发生。势能面探索与表征工具:局部最小值、一阶鞍点、高阶鞍点创建动力学数据作为 CatalyticFOAM 输入,用于反应器尺度的模拟改进 ChemTraYzer2:布居统计统计指定化学键、分子数量变化曲线PyZacros:集成到 AMS 中,用于模拟催化表面分子现象的动力学Monte Carlo软件 分子动力学 摩擦系数计算杨氏模量、剪切模量、体模量、泊松比、屈服点的计算 流体与药物设计 新的构象搜索/结构筛选/热力学玻尔兹曼平均光谱的计算COSMO-UNIFAC 方法发布:UNIFAC 参数中可选QSPR预测液体粘度、蒸汽压,以及三相点温度、合成难易程度、溶度参数、等张比容、介电常数等 粘度预测值与实验值符合的较好 AMS最新应用案例 ADF 应用案例:分子与团簇 DFT […]

AMS2019.301新功能

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第一性原理 1,MP2、SOS-MP2 优点: 对氢键的计算,结合能略高于实验值,而一般DFT则总是倾向于低估,总体而言MP2在这方面优于一般DFT; 计算饱和有机物二聚体尤其精确。计算时,要求TZ2P及其以上的基组。 效率:随着体系的增大,比GGA计算量增大的速度更快,但对一百原子左右的体系,一般的单节点计算耗时也并不太高 支持:EDA、NOCV分析,只支持单点计算 不支持:激发态、极化率、IR、NMR等相关计算。 2,高精度Double Hybrid泛函 优点: 从文献以及厂商测试结果来看,在异构体能量差、能垒、过渡态能量方面有非常显著的改进 在分子间色散作用、非共价作用方面,比色散修正杂化泛函仅有细微改进。 对过渡金属体系,结合ZORA方法,结果相当精确。 效率:对于三四十个原子的体系,计算量比杂化泛函的二倍略小。 用法:大体系的计算,双杂化泛函中,推荐DOD类泛函。一般的计算,根据我们的测试,B2piPLYP、B2KPLYP及其-D3(BJ)色散修正,以及revDSD-BLYP、revDSD-PBEP86,都非常优秀。后两个泛函的DOD变体比DSD变体更精确,更适合大体系计算。总的来说,双杂化泛函对很多体系都能够提供相当高精度的计算,对很多体系,这些不同的双杂化泛函结果差异实际上并不大。 支持:EDA、NOCV分析,只支持单点计算 不支持:激发态、极化率、IR、NMR等相关计算。不要用于HOMO-LUMO gap很小的体系,或者具有多参考态特征的体系。 3,最新色散修正泛函-D4(EEQ) 与D3色散修正相比,D4(EEQ)改善了热化学性质,特别是对含有金属的体系。推荐全面替代D3。 4,AH-FC、VG-FC Adiabatic Hessian Franck-Condon、Vertical Gradient Franck-Condon 5,MESA 新的高效的改进SCF收敛的算法: 6,CI-NEB:应用于各模块 7,添加外部应力 用法参考:BAND、MOPAC、DFTB、ReaxAMS添加外部应力 分子动力学 1,微观反应动力学 Microkinetics 例子:https://www.scm.com/doc/Tutorials/Microkinetics/MKMCXX_CO_Oxidation.html 2,新的分子动力学反应加速算法REMD 用法参考:新的分子动力学反应加速算法REMD。适用于BAND-MD、DFTB-MD、MOPAC-MD、ReaxAMS-MD。 3,ReaxFF中计算热导率的NEMD方法 参考:https://www.scm.com/doc/ReaxFF/Properties.html#nemd-methods-for-thermal-conductivity VASP GUI

ReaxFF新功能:模拟、分析表面反应

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从AMS 2018起,ReaxFF有了一个重要的新功能:检测表面吸附的化学反应,甚至可以区分不同的吸附类型。 例如水分子吸附在铝表面的模拟,模拟完毕后,在Movie > Properties > Molecule Fractions,勾选对应的吸附结构,即可以显示如下: 可以看到三个物种的数量变化:Al、H2O分子、吸附状态的水分子H2O(ads)。 吸附状态的分子,通过(ads)缀加的位置,可以得知是哪个原子与表面形成吸附键。例如H2O(ads)表示水分子的O原子与表面形成吸附键。 下图是另外两个例子: 该功能的使用: 只需在常规分子动力学模拟参数的基础上增加如下设置: 1,将surface的所有原子,设置为一个region,创建region的操作,参考:如何创建分区 2,ADFinput > Properties > Adsorption analysis > Support 选择该Region

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

ReaxFF

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概述 通过反应力场的分子动力学、蒙特卡洛方法,模拟燃烧、裂解、催化、超临界、电池、电气工程、建材、摩擦、生物药物、钙钛矿、半导体、含能材料、化学气相沉积等相关化学反应。包含多种化学反应加速算法;eReaxFF功能用于电池、太阳能电池等离子电子过程。笔记本即可运行一般几千原子的模拟,小规模集群可以支持上百万原子级别的模拟。 图形界面完善,初学者也能正确使用。ReaxFF的开发者Adri van Duin在研究过程中,也大多使用AMS中的ReaxFF,详见Adir van Duin文章。 计算引擎 力场丰富(列表)建模(教程)小分子混合物固体-小分子混合物建模随机聚合物建模表面吸附位点精确建模、调控计算引擎分子枪:表面的沉积、刻蚀反应过程中移除特定产物添加匀强电场、弹性墙壁冲击、切割eReaxFF功能(电子作为粒子参与反应)巨正则系综蒙特卡洛模拟加速反应的算法Collective Variable driven HyperDynamics Bond BoostfbMCReplica Exchange纳米球形反应器化学反应分析监控反应物、产物组分变化(教程)、基元反应分析、反应速率常数分析、表面吸附产物分布、聚合反应的交联率化学键、环结构数目变化统计(教程)、分子总数变化材料性质温度分布、能量各分量、压强、密度热导率(T-NEMD方法)应力张量、杨氏模量、屈服点、泊松比(教程)扩散系数、粘度径向分布函数、自相关函数玻璃化温度热膨胀系数吸附等温线锂硫电池锂化放电过程的电压特性人工智能表面吸附位点自动探索(教程)表面化学反应通道自动探索(教程)根据反应物自动预测反应网络(教程) 对其他模块的依赖关系 AdvancedWF模块ChemTraYzer2.0:对各类体系的轨迹进行基元反应,并能输出反应级别、实验单位的反应速率常数、布居统计等ACE-Reaction:反应通道的快速预测ParAMS:力场优化、训练ADF或BAND模块:ADF与BAND是AMS内置的DFT计算模块,分别用于分子体系、晶体的DFT计算,生成DFT训练集,用于ParAMS进行力场的训练、优化 案例与教程 进入AMS知识库,阅读ReaxFF最新应用案例中文教程

Quantum ESPRESSO

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AMS 的图形窗口操作平台,集成了开源程序 Quantum ESPRESSO,基于密度泛函理论、平面波和赝势方法,用于电子结构计算和纳米级材料建模。主要功能包括: Car-Parrinello MD 第一性原理分子动力学Berry相Hubbard U旋轨耦合结构优化晶格常数优化能带、态密度计算铁磁、反铁磁体系能带、态密度、pDOS计算、设置初始自旋/磁矩表面化学反应计算静电势分布、ELF、RDG、RDG-color材料应力与原子受力 更多信息参考: AMS中图形化操作教程库

GUI

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 GUI:方便智能 GUI用于建模、任务设置、提交、监视、结果分析,并能够在各个模块之间切换。通过点击鼠标即可完成结果的可视化分析。在大多数机器(Windows, Mac or Linux)上GUI都能运行。软件本身能够轻松地实现跨平台的运行。部分特色功能: 聚合物建模 取代基效应研究(批量建模) 不同谱图的重叠比对 创建固体表面,并均匀加入其它气体、液体分子 创建均匀混合物 创建气-液界面 创建孔洞结构 创建1000原子左右的球形团簇 GUI能够轻松地创建复杂分子、晶体结构模型,能够方便地创建超胞、薄膜、复杂溶剂、混合气体等。 可视化 作业能够从本地Windows  PC机,提交到远程Linux服务器或集群。输出结果能够跨平台识别:能级图、Kohn-Sham轨道、密度、等高线、态密度、能带结构以及各种大量图谱。实用性非常强,例如对于振动谱,点击IR峰,即可动画显示该峰对应的振动模式。 振动、结构优化、IRC以及分子动力学的模拟结果,可以通过GUI进行动画显示。还包括各种流体热力学性质图谱: 更多信息参考 费米科技WIKI知识库 教程 手册 其他教学视频

DFTB/MOPAC

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DFTB 概述 通过参数化实现快速近似DFT计算,得到与DFT相似的精确度。通过最新的色散修正描述长程相互作用。其中DFTB3能够精确地处理带电体系。AMS中的DFTB不仅包含dftb.org原始参数,还自行开发了大量参数,覆盖了元素周期表2/3以上范围。 使用DFTB,在台式机也能完成大体系长时间尺度的模拟。能够计算分子和周期性体系。可以在DFT计算之前,对分子、周期体系几何结构进行预优化。能得到与DFT几乎完全相同的结构(通常误差能够小于0.03埃) 功能 快速、可视化通过GUI与ADF、BAND模块无缝对接,用于结构的预优化、势能面扫描二阶(SCC-DFTB )、三阶(DFTB3)自洽电荷色散修正D4、D3-BJ、D2、UFF、ULG振动频率、声子谱、pDOS、能带与态密度、Franck-Condon谱、 Bader分析TDDFTB,用于大体系的紫外可见吸收光谱:1)支持singlet-singlet与singlet-triplet激发;2)通过设置最小振子强度,选择需要计算的激发态分子动力学DFTB.org参数之外,增加QUASINANO参数(87种元素)GFN1-xTB方法:可以通过ADFView查看分子轨道 MOPAC AMS为MOPAC2012提供可视化界面,支持Windows、Mac OS X以及Linux。MOPAC2012旨在快速而可靠的半经验量子化学模拟。 模型:分子、聚合物、表面、固体、溶剂化(COSMO)亮点:对镧系化合物的模拟结构优化频率模型:分子、聚合物、表面、固体过渡态溶剂化(COSMO)最新参数:PM7, PM7-TS旧参数:(AM1, MNDO, PM6, …)固体数据库MOZYME:大体系实现线性标度的自洽迭代MOPAC与ADF中其他模块无缝对接为ADF和BAND进行预优化 应用: 进入AMS知识库,阅读最新应用案例DFTB中文教程

 
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