ReaxFF分子动力学模拟药物释放过程(Phys. Chem. Chem. Phys., 2019)

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最近,一项实验和计算模拟联合研究表明,ReaxFF可以真实地描述功能化的金纳米颗粒,从理论上理解和预测抗生素的释放。这为ReaxFF分子动力学模拟辅助开发可控的纳米粒子原位药物释放带来了希望。 作者使用ReaxFF对共轭壳聚糖-庆大霉素官能化的金纳米粒子在水溶液中的动力学行为进行模拟,研究了基质包埋对抗生素抗菌活性的结构和动力学影响及其释药机理。 模拟体系:约200000个原子(水分子:40000)。图中:柠檬酸盐(棕红色分子)、壳聚糖(浅蓝色分子)和庆大霉素(绿色分子)。 S. Monti, J. Jose, A. Sahajan, N. Kalarikkal, and S. Thomas, Structure and dynamics of gold nanoparticles decorated with chitosan–gentamicin conjugates: ReaxFF molecular dynamics simulations to disclose drug delivery, Phys. Chem. Chem. Phys. (2019)

QuantumATK原子尺度模拟的优越性:筛选用于先进工艺节点的新型互连金属

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前沿逻辑电路技术的尺寸缩减给互连堆层的尺寸和工艺整合带来了重大挑战,尤其是中道(MOL)结构。金属间距的减小导致电容增大,而金属宽度和高度的减小则增加了电阻。这种对延迟的RC寄生贡献可以抵消或大大降低改进晶体管驱动电流的获得的好处。为了缓解电阻增加的趋势,半导体制造商正在探索电阻率比铜更低的替代金属。 在DTCO(Design Technology Co-Optimization)的背景下,新的互连金属不仅能够降低MOL中的寄生负载,而且有助于集成新的尺寸缩减方案,如包埋式供电线轨(buried power rails),此时低电阻率导线对于缓解配电网络中的互连电阻损耗(IR-drop)至关重要。 本文综述了QuantumATK原子尺度模拟方案 在缩减互连堆层尺寸研究中的应用。QuantumATK能够使用严格的密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法计算金属的电子输运和电阻率。从模拟中得到的结果和见解让技术人员能够更有效地选择替代金属并集成到先进的逻辑和记忆电路工艺中。 典型的互连堆层如图1所示。 图1:典型的互连堆层 铜(Cu)的封装结构包括一层衬垫层,该衬垫层可促进金属的粘合;还包括一个阻挡层(通常为TaN),该阻挡层可防止Cu扩散到周围的电介质中,并阻止其他物质(如O2、OH–和H2O)进入互连。由于表面、缺陷和晶界的电子散射增加,铜的电阻率在与衬垫层和阻挡层的界面附近增大。随着线宽的减小,金属导电率的这种表面退化影响增大(如图2所示),并开始主导导线或通路的整体有效电阻率。此外,为防止电迁移,阻挡层材料的厚度必须保持大体恒定;而线宽减小导致更大比例的导线横截面由电阻比铜高的阻挡层材料组成,这也进一步加剧了问题。 图2:由于线宽减小而导致的金属(Cu)导电性降低 正如本文关注的GlobalFoundries(GF)和IBM在发表论文中所强调的那样,使用QuantumATK进行原子水平模拟在描述不同散射效应对电阻的影响以及寻找降低电阻的途径方面具有极其重要的意义。 使用密度泛函理论(DFT)方法获得金属纳米线的电子结构(如态密度和结合能),可以评价其结构完整性和抗电迁移能力。利用QuantumATK中具有非平衡格林函数(NEGF)的DFT模块进行电子输运模拟,获得各种尺寸和取向纳米线的电流和热流、电阻/电阻率以及不同衬垫层和阻挡层材料界面的垂直电阻。DFT+NEGF还可以用于对晶界上各种缺陷和散射产生的电阻进行估计,并获得晶界反射系数。结果表明,QuantumATK预测的电阻率趋势和晶界反射系数与实验结果相当一致。QuantumATK还可以用来分析阻挡层材料。进行DFT+NEB(nudged elastic band,一种过渡态搜索方法)计算可以获得缺陷的形成能量和活化势垒,随后用于Sentaurus过程动力学蒙特卡罗模拟,可以估计为避免金属离子扩散到介电层所需的阻挡层金属厚度。 这些方法能够对尺寸缩减后电阻比铜小的金属线材料、导体|衬垫层|阻挡层|导体界面的通路电阻较小的金属线材料进行系统的筛选和表征,并找到具有高内聚能的金属,从而避免使用扩散阻挡层。作者对作为铜替代品的各种金属(铂、铑、铱、钯、铝、钌)进行了研究并得出了一些结论。与铜[1]相比,铝由于晶界(GB)散射大、垂直通路电阻大、电迁移率大而不适合作为铜的替代导体。Pt、Rh和Ir纳米线在内聚能(即抗电迁移)方面表现出优越的性能,并且可以在无扩散阻挡层的情况下使用[2];然而,铜还是比这些金属更优越,因为铜的电阻比这些金属小(GB散射小)。由于不需要扩散阻挡层,Ru是一种很有前途的选择。作者还研究了表面缺陷造成的Ru的表面退化以及Ru/衬垫层界面的GB散射和电阻[3]。 图3: Ru作为互连堆层的新导体金属的研究:Ru电阻率与晶粒直径的函数关系 通过改变衬垫层和阻挡层材料来降低电阻是缩小互连堆层尺寸的另一种策略。计算表明,TiN是最适合Ru互连的衬垫层材料(与Ti或TaN相比)[3]。如图4所示,铜导体的阻挡层从TaN变为Ta会导致通过通路结构的垂直电阻显著降低,无论是带有Co还是Ru的衬垫层情况。这与多尺度研究一致,多尺度研究预测通过将铜导体的扩散阻挡层从TaN到Ta,通路电阻可以减少约26%,这相当于可以使3纳米技术节点的器件性能增强2%[5]。重要的是,阻挡层(Ta->TaO,Ta2O5)和衬垫层(Ru-> RuO2)材料的氧化可进一步显著增加垂直电阻,根据氧化程度和金属与金属接触面积的不同,其变化幅度可达到一个数量级[6]。 图4:互连堆层不同衬垫层材料(Co和Ru)和阻挡层材料(TaN和Ta)的研究:沿通路结构的垂直电阻 了解防止导体金属在互连堆层中扩散所需的阻挡层厚度也非常重要,因为这可以筛选阻挡层金属材料,使其在厚度较小时工作良好,从而为主要金属导体留出更多空间。一项将QuantumATK作为多尺度模拟方法一部分的研究确定了防止互连内Co扩散的TiN层的临界厚度为3纳米[7]。 虽然这一领域的大部分工作都集中在评估通路电阻上,但降低热阻同样重要。GlobalFoundries使用QuantumATK计算了块体材料Cu和Cu/TaN/Co/Cu界面的热流。结果表明,热流与电流一样受到界面散射的强烈影响[8]。用QuantumATK得到的结果可以用于大规模有限元模拟,以进一步模拟互连中的自发热。 未来,我们预计原子尺度模拟方法可以应用于更复杂的金属和材料(例如多相化合物和碳纳米管)的研究,因为半导体工业要继续寻找途径来减少先进工艺节点处上互连寄生效应的影响。   参考文献 T. Zhou, N. A. Lanzillo, P. Bhosale, D. Gall, and R. Quon, “A first-principles analysis of ballistic conductance, grain boundary scattering and vertical resistance in aluminum interconnects”, AIP […]

工业聚合物制备锂离子电池新型电极材料的理论筛选(Ionics, 2019)

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有机聚合物具有较低的溶解性、较低的自放电速率、较高的机械强度、较高的柔韧性、优异的热稳定性和通用性,有可能成为锂离子电池的电极材料。 北京工业大学孙少瑞课题组计算了文献报道的11种锂离子电池的聚合物电极材料的 ΔEpoly,并与实验值线性拟合得到经验公式: 然后利用半经验公式对未知材料进行预测。考虑到材料的电位、容量和带隙,选择了三种理想的电极材料(16、17、23)。通过对这三种理想电极材料进一步研究发现,LUMO能量越低、杂原子/取代基的电负性越强、材料的电位越高,越有利于设计新型聚合物电极材料。 本文采用AMS软件中的BAND模块完成计算,对于一维周期性体系的计算,由于基组和周期性边界条件的差异,BAND的计算效率与精度,均高于平面波程序。 Huili Lu, Jun Yu, Ge Chen, Shaorui Sun, Theoretical screening of novel electrode materials for lithium–ion batteries from industrial polymers, Ionics (2019)

费米科技招聘启事

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费米科技成立于2014年,以促进新材料创新为宗旨,致力于计算模拟技术在材料研发中的应用与推广,为中国的学术和工业研究机构提供研发咨询、软件部署、技术攻关等全方位的服务。 费米科技是年轻、富有朝气的团队,既有科研上的严谨,也有年轻人的活力。我们认可每一个人付出的努力并愿意帮助新手成长为独挡一面的人才。 如果你是: 擅长与人交流的理工科毕业生 希望个人的努力与收获成正比 喜欢有机会去不同的城市看风景 欢迎加入我们! 如何申请 有意者请将简历投递至fermi@fermitech.com.cn邮箱,并注明申请岗位。我们会对申请人的情况进行适当的考核,联系安排进行下一步的面试。 招聘岗位:销售业务经理 岗位职责 负责开发、追踪和维护新客户 协助维护商务流程和技术文档 参与完成公司的市场活动 工作地点 西安 你将获得 优秀的自我管理和团队协作能力 与高水平科研团队的交流机会 远离办公室政治 有竞争力的薪资待遇和福利 职位要求 物理/化学/材料专业的本科或硕士 学习能力强,交流沟通顺畅 踏实肯干,能够适应较多的差旅 有材料学计算模拟研究经验优先   招聘岗位:Amsterdam Modeling Suite(原名ADF)的兼职技术支持 要求 熟悉AMS安装和使用,能对用户使用过程中的一般性问题给出解决建议。工作时间、地点自由,能保证每天回复邮件。 获益 在长期的技术支持过程中,在专业技术人员指导下,将达到对软件的精通。 有意请与 fermi@fermitech.com.cn 联系。 招聘岗位:QuantumATK 兼职技术支持 要求 熟悉QuantumATK的安装和使用,能对用户使用过程中的一般性问题给出解决建议。工作时间、地点自由,能保证每天回复邮件。 获益 在长期的技术支持过程中,在专业技术人员指导下,将达到对软件的精通。  

原位观察活性MoS2模型催化剂加氢脱硫(Nature Comm.,2019)

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加氢脱硫工艺是化学工业的基石之一,从石油中将有害的硫脱除,生产出清洁的碳氢化合物。MoS2纳米岛的边缘是催化活性位点,反应压强5-160 bar,温度260-380 ℃。到目前为止,还不清楚这些苛刻的条件如何影响催化剂的结构。因此荷兰莱顿大学Rik V. Mom等人利用高压扫描隧道显微镜,成功地原位观察了该反应条件下活性MoS2模型催化剂。结果表明,MoS2纳米岛活性边缘区的硫、氢和烃覆盖情况随气体环境的变化而变化。通过与密度泛函理论计算结果进行比较,作者提出CH3SH脱硫过程中的优势边结构吸附了硫和CH3SH的混合物。 计算细节: 所有的DFT计算都使用AMS中的BAND模块完成,使用PBE泛函、Grimme van der Waals校正范德华作用,标量方法考虑相对论效应的影响,使用TZP基组描述价轨道,芯轨道被冻结在与自由原子相同的状态,自洽场收敛阈值为10−6 Hatree/bohr,几何优化收敛阈值为10−2 Hatree/nm,其他使用BAND的默认设置。 采用(4×4)MoS2元胞,构造出一维周期性条带。条带包含S型边缘和Mo型边缘。所有计算中S边缘都被完全覆盖(每个Mo边缘原子两个S边缘原子)。元胞长度是在50%S覆盖率优化得到的(1.248 nm)。对于包含金衬底的计算,Au(111)表面使用2层平板模型,晶格常数与MoS2条带相称。选择S-Mo-S-Au-Au堆叠,其中S-Au层间距为0.442 nm。K点总数为3。 过渡态计算:对于给定的反应坐标(通常是原子间距离),先通过线性过渡进行扫描,得到一系列限制性几何结构优化收敛后的能量最高点。对于该能量最高结构,计算与反应有关的原子及其邻近原子的“部分Hessian”。该部分Hessian方程的最负本征值对应过渡态特征,则用来搜索精确的过渡态(势能面鞍点)。一般需要反复多次重复“计算部分hessian”、“过渡态搜索”的过程,最终得到的部分Hessian有且仅有一个负本征值。 Rik V. Mom, Jaap N. Louwen, Joost W. M. Frenken & Irene M. N. Groot, In situ observations of an active MoS2model hydrodesulfurization catalyst,  Nature Communications 10, Article number: 2546 (2019)

材料与器件模拟研讨会在广州成功召开【报告详情与资料】

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由费米科技、华南理工大学物理与光电学院与 Synopsys QuantumATK 共同主办的“材料与器件模拟研讨会暨 QuantumATK Workshop China 2019”于 5 月 24-26 日在广州华南理工大学成功举办。本次研讨会包含了 QuantumATK 新版发布、材料学计算模拟研讨和 QuantumATK 新功能上机演示三个部分。 QuantumATK新版发布 来自Synopsys QuantumATK 的 Anders Blom 博士为与会者介绍了 QuantumATK P-2019.03 新版特性,费米科技的董栋博士在Workshop上机操作环节为大家演示了这些激动人心的新功能。SCAN泛函和PAW势方法的引入标志着新一代的材料与器件模拟平台 QuantumATK 中的计算引擎已经日臻完善,其中的DFT模块是目前最为全面的固体 DFT 计算引擎,包含了 LDA、GGA、MetaGGA、SCAN、HSE 等众多常见泛函、原子轨道线性组合(LCAO)和平面波基组(PlaneWave)、模守恒(Norm-Conserving,NC)和Projector-Augmented Wave(PAW)赝势等。QuantumATK 还无缝集成了 DFTB 和 ForceField 等其他级别的方法,以满足不同模型和计算规模的需求。新发布的灵活易用的能带和态密度投影分析计算作图工具、全功能的能带分解电荷分析计算作图工具、自动化的磁各向异性能量(MAE)分析计算与作图工具、半导体材料带电点缺陷分析计算与作图工具、基于 DFT/DFTB/Forcefield 实现的 time-stamped force-bias Monte Carlo 方法等材料性质分析套件则为更广泛的材料学应用提供了有利的支持。 QuantumATK P-2019.03 新增功能请参考链接:【QuantumATK P-2019.03新版发布】。 QuantumATK 全部功能详细列表请参考链接:【QuantumATK功能列表】。 材料学计算模拟应用研讨 本次会议邀请了国内相关领域的资深专家就二维材料与器件、纳米与分子器件的电输运和热输运等主题作了深入浅出的专题讲座,同时邀请来自全国 16 家单位的 […]

Amsterdam Modeling Suite(原名ADF)2019新版发布

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AMS新增功能 巨正则系综蒙特卡洛(GCMC) 内反应坐标(IRC)扫描 选模振动分析(Mode Selective Vibrational Analysis) 热力学性质(理想气体模型) 简正模PVDOS 分子动力学:分子碎片成分分析 分子动力学:分子枪(分子入射)、分子沉降(模拟过程中移除某些产物) PLUMED:分子动力学分析、多种自由能计算 Collective Variable-driven Hyperdynamics (CVHD) 注意:这些功能,在AMS所有计算模块中均能使用。例如DFTB的分子动力学模拟,也能像传统的ReaxFF分子动力学模拟那样,得到分子数量变化曲线。GCMC模拟在各个模块中均可使用。 GUI 聚合物建模 不同谱图的重叠比对 ADF 新QTAIM与Conceptual DFT AOResponse: 考虑旋轨耦合的极化率、Raman光谱 DRF梯度 BAND DFT-1/2方法得到更好的带隙 SM12溶剂化方法 DFTB GFN1-xTB方法:可以通过ADFView查看分子轨道 改善了SCC收敛性 MOPAC 并行化优化 ReaxFF ADFtrain: 力场优化训练集生成的辅助工具 OpenMP并行技术 COSMO-RS 聚合物热力学性质 新的蒸汽压预测方法

单层过渡金属二硫化物边缘时间反演对称性的自发破缺

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利用密度泛函理论(DFT)和格林函数方法,文章报道了三种单层过渡金属二硫族物(TMDs)MoS2、MoTe2和WTe2 的 1T’ 相的不同边缘上存在具有非共线自旋形态的磁性边缘态。磁性态是零带隙的,伴随着时间反演对称性的自发破缺。这可能会对使用WTe2作为量子自旋霍尔绝缘体的前景产生影响。此前有报道通过应用垂直电场可以关闭1T’ TMDS的拓扑保护边缘状态【X.Qian,J.Liu,L.Fu,J.Li,Science 3461344(2014)】。本文通过完全自洽的DFT计算,证实了拓扑边态确实可以被关闭,但所研究的磁性边缘状态是强壮的,并在外加电场时保持零带隙。 模型 文章所使用的二维材料边缘模型是半无限周期的单边缘模型(只有一个边缘),因此克服了条带模型中宽度受限、两个边缘的缺点。x方向左侧的周期边界条件(PBC)、Dirichlet 边界条件(DBC)确保了周期体系和边缘部分的正确连接,x方向右侧的Neumann边界条件(NBC)则是真空静电势的最自然边界条件。z方向的DBC除了确保了模型更符合真实情况(无需周期性)之外,还允许在真空方向上增加栅极(Gate)来调控边缘态。 使用最新的QuantumATK P-2019.03 可以十分方便的计算这类Surface模型的能带结构,以研究三维周期体系的表面态或者二维周期体系的边缘态。 从下图可以看出,这种模型与纳米条带模型相比,周围电场的情况有明显的不同。 MoS2的能带和三种不同的边缘 三种不同边缘的能带 电场的影响 参考 Jelver, L., Stradi, D., Olsen, T., Stokbro, K. & Jacobsen, K. W. Spontaneous breaking of time-reversal symmetry at the edges of 1T’ monolayer transition metal dichalcogenides. Phys. Rev. B 99, 155420 (2019).(doi:10.1103/PhysRevB.99.155420;http://arxiv.org/abs/1812.09082) QuantumATK在材料表面与界面的计算中有独特的模型和方法:http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/materials-interface/ DFT-NEGF材料表面计算模型、方法与应用:http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/surface-negf-model/ QuantumATK P-2019.03新版发布:http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/release-p-2019-03/ 立即试用 QuantumATK! […]

SCAN metaGGA 泛函简述

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密度泛函理论的“天梯” 1964年,Hohenberg 和 Kohn用反证法告诉我们存在这样一个“天堂”,在那里有一个通用的电子密度泛函,能够在密度泛函理论(DFT)框架中给出任意体系的基态 【1】。这是一个美好的理想。Kohn 和 Sham 在随后给出了 Kohn-Sham 方程的同时,也开始了搭建通往“天堂”的“天梯”(Jacob’s Ladder)的第一步:局域密度近似(LDA)【2】。推广的梯度近似(GGA)尤其是 PBE 泛函【3】在固体计算领域取得的巨大成功似乎提示我们这是一条正确的途径。从那以后直到今天,研究者们一直在努力修建“天梯”。 密度泛函的一般表达式很容易写出: 只包含密度项为 LDA,包含密度梯度项为 GGA,包含动能项为 meta-GGA,这三类泛函均为半局域(semi-local)泛函,他们构成了“天梯”的前三级。半局域泛函的一个重要优势就是计算速度快,但由于各种半局域泛函往往只能满足部分的约束条件,因此往往只在某些体系里计算精度较好。将半局域泛函与非局域项组合构成杂化泛函(“天梯”第四级),虽然在多个方面的计算精度有很大改进,但是计算量却是百倍的增长。 SCAN Meta-GGA泛函 最新的 SCAN 泛函(Strongly Constrained and Appropriately Normed Semilocal Density Functional)【4】是 MetaGGA 泛函的一种,是基于约束构建非经验半局域泛函的一个重要成果,因为 SCAN 泛函是第一个满足全部已知的17个约束的半局域泛函。 对 SCAN 泛函的系统测试表明,此泛函在计算各种固体的各种性质(尤其是能量相关性质)中比 LDA 和 GGA 有很大的改进,几乎达到了杂化泛函的水平,但是比杂化泛函要大大节约时间,计算量保持在半局域泛函水平【5】【6】。 密度泛函理论天梯【7】。SCAN 泛函的出现将 metaGGA 泛函的精度提高到了杂化泛函的水平。 在 QuantumATK 中使用 SCAN 泛函 SCAN 泛函已经包含在 QuantumATK 的最新版本中,同时支持平面波基组计算引擎(DFT-PlaneWave)和原子轨道线性组合基组计算引擎(DFT-LCAO),可以用于块体材料的能量、结构优化、分子动力学、动力学矩阵、电声耦合、带电点缺陷分析、磁各向异性能量等各种计算。 DFT-PlaneWave 和 DFT-LCAO 计算引擎给出的结果一致: 提示:更多更新功能详见《QuantumATK P-2019.03新版发布》和 《QuantumATK功能列表》。 文献中对 SCAN 泛函的一些测试结果 SCAN 泛函在内聚能、形成能的计算中普遍优于其他的半局域泛函,例如在硅的间隙缺陷形成能计算中得到与实验一致的结果【5】。 SCAN 泛函在主族化合物结构稳定性预测中得到了近乎完美的结果,副族化合物结构稳定性预测也比 PBE 泛函要好【5】【8】。 SCAN 泛函还更好的体现了中程的范德华相互作用,在预测冰和水分子团结构【5】以及半导体材料【6】中得到很好的结果。 也有文章认为 SCAN 泛函在二维材料的结构和电子态研究中能得到更好的结果【9】。 参考文献 Hohenberg, P. & Kohn, W. Inhomogeneous Electron Gas. Phys. Rev. 136, B864–B871 (1964). Kohn, W. & Sham, […]

QuantumATK P-2019.03新版发布

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更新概要 密度泛函理论方法更新 材料性质分析模块新功能 动力学计算更新 计算性能提升 重新设计的计算脚本生成工具 全面提升的二维数据作图工具 其他更新  密度泛函理论方法更新 在平面波和LCAO基组的DFT计算中采用SCAN MetaGGA泛函,极大的提升了GGA和LDA在各种体系中的计算效果 Strongly Constrained and Appropriately Normed semi-local density functional 大幅改进能量计算(与LDA和GGA相比) 与完全非局域杂化泛函得到一样精度的结果,但是大大节省计算成本【[G.-X. Zhang et al., New J. Phys. 20, 063020 (2018)]】 可用于LCAO和PlaneWave计算 可以用于各种块材计算分析:优化结构、动力学模拟、动力学矩阵、哈密顿量导数、点缺陷分析、磁各向异性等等  平面波计算新增对多种材料性质分析工具的支持 光学谱,有效能带,投影能带(Fat Bandstructure),投影态密度、本征值 PlaneWave现在和LCAO支持的相同类型投影:自旋(上/下),自旋(x/y/z),原子位,原子组标签、元素、壳层、轨道等 使用Kerker预处理工具改进使用平面波DFT对片层(Slab)结构计算的收敛性 HSE杂化泛函与非共线/自旋轨道耦合联合使用 HSE杂化泛函计算速度提升 GGA PseudoDojo模守恒赝势现在支持非共线自旋轨道耦合;新增PseudoDojo LDA赝势 PAW方法:Projector-Augmented Wave method 可以使用比模守恒赝势更低的波函数截断(NC:30-40Ha;PAW:20Ha),大大提高计算速度 可以计算:总能、力、能带、态密度、声子能带和态密度、振动模式动力学矩阵、费米面、化学势、有效质量,等等 支持自旋极化计算 可选Generalized Davidson(默认)或PPCG方法解本征值 全面支持MPI并行 PAW数据:GPAW(默认)和JTH(包含镧系元素) 材料性质分析模块新功能 磁各向异性能量(MAE) 使用功能强大的study […]