Sentaurus Materials Workbench简介

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Sentaurus Materials Workbench(SMW)是基于 QuantumATK 提供的一套用于半导体材料模拟的工具套件,可帮助您创建材料参考模型,并使用 DFT 计算或经验势或两者来为原子水平计算设置输入文件。 SMW 可以自动生成缺陷,并包括多种技术和方案以提高计算的准确性。 SMW 包含以下功能模块: 材料技术参数(MaterialsSpecification) 使用 MaterialSpecifications 对象,您可以为计算定义计算设置。 Sentaurus Materials Workbench 带有一个MaterialSpecificationsDatabase,该数据库包含预定义的行业相关材料的的技术参数。 该数据库可以作为多数应用的起点。 MaterialSpecifications MaterialSpecificationsDatabase 能带校正(Bandstructure calibration) SentaurusBandstructureCalibration 用于将能带模型(有效质量、k.p等)的参数校准到第一原理计算的数值,这些参数可以用于Sentaurus工具的模拟。该工具支持硅的纳米线或纳米薄片。 Wire Slab SentaurusBandstructureCalibration SentaurusWireEffectiveMassModel SentaurusWireKdotPmodel SentaurusSlabKdotPmodel 单个缺陷参数和收敛性研究 ChargedPointDefect 工具可以研究多种缺陷和超胞大小的形成能和捕获能级,包括: DefectCluster Interstitial SplitInterstitial Substitutional Vacancy 这些计算都是通过 ChargedPointDefect 完成的。 能带示意图提取 BandDiagramExtraction 可以从多层 2D 结构的第一原理计算中提取能带示意图。可以提取每层中的平均导带/价带边缘,带隙和功函数/电子亲和能。 为了提取功函数,需要计算真空能量。 为了计算每一层的真空能,将多层结构分为具有真空的单层。 缺陷特征和迁移 缺陷的迁移是用在初态和终态之间的 NEB 计算完成的。 TransitionPathList […]

QuantumATK 2020.09新版发布

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概述 QuantumATK 2020.09 在密度泛函理论计算工具、动力学、NEGF 器件计算、NMR 计算分析、聚合物性质计算、图形用户界面、数据作图等方面都增加了众多新功能,此外还在 DFT 块体和器件计算性能、图形用户界面的易用性等方面有明显的提升。 升级提示 【必须】还在维护期的用户,请自助登录 Synopsys Sovlnet 网站下载最新版本的 QuantumATK 安装即可; 【推荐】可以选择同时在 SmartKey 中获取新的 License,替换现在的License; 【可选】在有必要时,将 SCL 升级到最新的 2020.06 版本; 【参考】QuantumATK 和 SCL 的升级维护操作一般步骤,详见:费米维基的相关文章。 在线讲座 2020年9月30日下午3时,Synopsys将举办免费在线研讨会介绍新版功能,欢迎报名参加(报名链接)。   密度泛函理论(DFT)和相关分析计算工具更新 混合泛函方法(HSE)现在可以用于 LCAO 基组计算,实现了使用少量的计算资源来对大型体系进行精确的 DFT 模拟。对于较小的体系,其速度比平面波 HSE 快 100 倍;对大体系的测试计算则最多达到了 2000 个原子; 新增 3D 校正的 k·p 方法,可以将平面波 HSE 的能带结构和态密度计算从数天/数小时加速到不到一分钟; Shell DFT + 1/2 方法可实现更精确的半导体带隙,新增支持 […]

材料光学和光谱性质的计算模拟

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光谱既是表征材料光学性质的重要方法,也是探测材料结构的重要手段。从材料结构出发对光谱进行预测,是常见的计算需求。针对不同的光波波段和光谱响应原理,计算方法上有很大不同。常见的光谱有:电子光谱、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振谱等。 QuantumATK中包含的高可靠性的DFT、DFTB、ForceField等基础计算引擎,配合高级的电子-声子耦合模型可以很好的模拟材料的各种谱学性质。QuantumATK图形用户界面包含功能强大的建模工具,可以直接构建各种材料(分子、晶体、聚合物)等的结构,计算参数设置和计算作业的管理也直接在图形用户界面上完成,图形用户界面还提供了高质量的图形绘制工具和详尽的数据透视分析工具,节省宝贵的时间。 电子光谱 QuantumATK可以直接计算电子态的线性响应光谱(折射谱、吸收谱等)、介电函数的实部、虚部等。光学谱计算可以包括带间和带内贡献,使用 Drude 模型计算的带内贡献来自于整体电子密度的等离子体振荡,是金属体系中的主导机制。 参考链接 拉曼光谱 QuantumATK可以计算拉曼张量,声子模式的拉曼强度,考虑入射光照射到块体和二维材料上的偏振相关或偏振平均的拉曼光谱。 参考链接 红外光谱 全新的介电张量分析模块可以模拟各种介电性质,例如介电常数、光学性质(太赫兹区间的折射率、消光系数、反射率),材料的红外光谱等。介电张量模块可以包含电子和离子的贡献(即低频时与振动的耦合)。 参考链接 非线性光学谱:二次谐波产生(SHG)极化率 QuantumATK可以计算材料的二次谐波产生极化率(非线性响应函数)。 参考链接 电光张量(Electro-optical tensor) 全新的 electro-optical 分析工具计算电光效应(即外加静电场对静态介电常数的贡献),使用图形界面设置计算,自动计算动力学矩阵、光学谱、Born 有效电荷、介电张量、极化率导数和拉曼光谱等。 参考链接 核磁共振谱 EFG 分析工具,可以用于计算各原子的电场梯度和四极矩耦合常数,用于对实验谱进行峰的归属;NMR 分析工具,用于计算块体材料的核磁共振,包括四极矩耦合常数和各向同性的化学屏蔽。 参考链接:EFG 参考链接:NMR 立即试用 QuantumATK! 下载QuantumATK软件安装包 申请QuantumATK的全功能试用许可  

第五主族二维衍生物BiN的电子性质与输运特性的理论研究

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摘要 在当今后摩尔时代下,器件芯片的高性能、低功耗特性对于物联网、人工智能和 5G 等关键领域而言将变得至关重要。然而,随着摩尔定律的发展,传统晶体管的节点推进和尺寸缩小的趋势逐渐放缓,难度也逐渐增大。因此,技术创新是后摩尔时代微电子器件实现多样化发展的关键,特别是晶体管的沟道材料。最近,新兴的二维半导体材料受到了研究者们的广泛关注,其凭借着传统半导体不具备的超薄的厚度、自然钝化的表面、良好的栅控能力、高的迁移率等优异性质,在下一代微纳电子器件的发展进程中发挥了关键作用。 近日,南京理工大学张胜利教授团队基于有效质量差异性设计了高性能、低功耗亚 10 纳米二维 BiN 晶体管,结合第一性原理和非平衡格林函数理论,探索了有效质量、态密度、开态电流、亚阈值摆幅等性质受能带散射程度的影响,揭示了二维 BiN 晶体管在窄沟道器件应用上的潜力,为开发新一代二维微电子器件提供了新的思路。相关研究成果以“Designing sub-10-nm Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors via Ballistic Transport and Disparate Effective Mass: The Case of Two-Dimensional BiN”为题发表于应用物理类期刊《Physical Review Applied》,博士生周文瀚为第一作者。 参考文献 H. Zhou, S. L. Zhang, S. Y. Guo, Y. Y. Wang, J. Lu, X. Ming, Z. Li, H. Z. Qu, H. B. Zeng, “Designing sub-10-nm […]

机器学习研究钙钛矿材料的稳定性和带隙

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文章摘要 钙钛矿的成分调控让人们能够精确控制其在光伏应用所需的材料性能。然而,同时解决效率、稳定性和毒性仍然是很大的挑战。混合的无铅钙钛矿和无机钙钛矿最近显示出了解决此类问题的潜力,不过它们的组分空间巨大,即使采用高通量方法也很难发现有希望的候选结构。此项研究通过使用由密度泛函理论生成的344个钙钛矿的新数据库,使用与元素无关的通用指纹信息的机器学习方法可以快速而准确地预测关键属性。使用验证子集预测的带隙、形成能、和凸包距离分别在146 meV、15 meV/atom 和 11 meV/atom 内。得到的模型可以用于预测完全不同的化学组分空间中的趋势,并进行快速的组成和结构空间采样,而无需进行昂贵的从头算模拟。 QuantumATK中的计算自动化功能 本文中提及的研究全部采用QuantumATK完成。QuantumATK包含了完整的Python 3基础环境与科学计算模块支持,还包含众多自主开发的结构生成、计算方法和性质分析模块,可以直接设计自动化的计算流程: 结构模型:使用 Python 脚本操作结构、设计结构模板、批量生成结构;在图形化界面的 Builder 中也可以使用 Python 命令操纵结构。参考:https://docs.quantumatk.com/guides/builder/builder_console_guide.html 计算设置:使用 Python 脚本自动化完成批量结构的计算;图形界面也可以直接设置计算脚本模板: https://docs.quantumatk.com/guides/scripter/templates/templates.html 性质分析与汇总:图形用户界面新增报告生成工具,直接汇总计算结果得到统计和对比图。 参考 Jared C. Stanley, Felix Mayr, and Alessio Gagliardi. Machine Learning Stability and Bandgaps of Lead-Free Perovskites for Photovoltaics. Adv. Theory Simul. 2019, 1900178 QuantumATK脚本编程手册:https://docs.quantumatk.com/manual/NLRefMan.html 立即试用 QuantumATK! 下载QuantumATK软件安装包 申请QuantumATK的全功能试用许可  

磁性存储材料研发中磁各向异性能(MAE)模拟

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概述 作为欧盟 COSMICS 研究项目的一部分,QuantumATK 团队与来自 SPEC CEA、巴黎萨克雷大学的科学家共同发表了一篇关于Fe、Co 和 Ni 片层的磁晶各向异性能(MAE)模拟的论文[1]。这项工作表明,利用 QuantumATK 进行模拟可以有效的研究控制MAE 的参数,例如这些材料(如块体,片层,表面或界面)的厚度和晶向。由于 MAE 的可调性通常是磁性材料的一种理想功能,因此建模是研究工作流程中设计具有最佳磁性特性的材料的重要组成部分。例如,诸如磁性随机存取存储器(MRAM)的新型存储器体系结构依赖于具有优化的 MAE 属性的材料来存储和保留信息。较大的 MAE 在给定的磁性状态下提供了良好的保持特性,即在一定时间内存储了磁化方向,而在二进制写入过程中,需要较低的 MAE 来随意切换磁化方向。 使用 QuantumATK 模拟 MAE 的优势 QuantumATK 是唯一包含基于赝势的密度泛函理论(DFT)方法、LCAO 和平面波基组的程序。这使得计算过程中可以从LCAO 无缝转换到平面波基组,从而轻松在 MAE 模拟过程中在速度和精度之间寻找最佳平衡,使用 LCAO 基组可以进行更大体系的模拟。 MAE(即不同磁化方向的能量差)在数值上是很小的。为了提供准确的结果,QuantumATK 有很好的参数默认值(例如 k点采样和每个电子的能带),当然也可以轻松调整这些参数。 此外,QuantumATK 提供了有效的数值方法,将 MAE 分解为异质体系(例如表面、界面或任何类型的缺陷)中局域贡献的加和。 QuantumATK 提供了用于设置和分析结果的高级图形用户界面(GUI),如图 2 和图 3 所示。高级的重新启动功能使用户可以更高效地执行 MAE 模拟,因为它可以重新运行 MAE 模拟,轻松包含新的磁化方向和投影,而无需重新计算任何已经得到的中间数据。 参考 L. Le Laurent, […]

单分子反应的电场诱导选择性催化(Sci. Adv. 2019)

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引言 随着单分子电学检测技术的迅速发展,分子电子学的研究已不再局限于分子电子学器件的构筑及其电学性质的测量,而是扩展到单分子尺度化学反应过程的探索。单分子裂结技术能够直接观察单个分子的始态、终态和中间态,采用此技术并通过施加定向外部电场,有望实现对单个分子乃至单个化学反应的操纵和调控,从而在纳米尺度的反应器中实现对单个分子化学反应速率的选择性调控,为未来基于清洁能源的绿色化学合成提供了新思路。近日,厦门大学洪文晶教授、程俊教授和兰州大学张浩力教授在电场选择性调控特定化学键的反应速率研究方面取得重要突破。相关研究成果以“Electric-field-induced selective catalysis of single-molecule reaction”为题发表于Science Advances。 成果简介 针对这一挑战,该研究团队自主研发了高强度定向电场下研究化学反应速率的精密科学仪器技术,将单个有机分子定向地连接在两个原子级尺寸的电极之间,从而解决了化学反应中分子取向控制的问题。通过电极对单个分子施加了高达108-9 V/m的定向电场和对反应的分子计数,精确测量了两步连续反应中每步的反应速率。在纳米尺度反应器内中发现:若施加电场与反应轴垂直,电场对化学反应没有影响;如果电场在反应轴方向有分量,电场可以使反应速率提升超过一个数量级。通过单分子器件电输运模拟证实了化学反应路径的中间态;过渡态计算结果表明定向电场可以有效地稳定化学反应的过渡态,从而降低反应能垒。 这一跨学科合作,在国际上首创了利用定向外部电场选择性调控化学反应速率的仪器和技术,实现外加电场对化学反应的有效调控,提出了将外加电场作为智能催化剂创新思路,对基于清洁能源的绿色化学合成和化工清洁生产的发展具有重要意义。 参考文献 X. Huang, C. Tang, J. Li, L. C. Chen, J. Zheng, P. Zhang, J. Le, R. Li, X. Li, J. Liu, Y. Yang, J. Shi, Z. Chen, M. Bai, H. L. Zhang, H. Xia, J. Cheng, Z. Q. Tian and W. Hong. […]

具有多通道电输运性能的空间共轭单分子并联电路 (Angew. Chem. Int. Ed. 2020)

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引言 目前,传统硅基芯片的性能已经逐渐接近其理论极限,为了适应科技的飞速发展,芯片革命已经势在必行。有机分子具有尺寸小、结构多样以及可通过辐射减少发热等特性,有极大的希望被应用于制备集成度更高、性能更强、散热更好的新一代微型芯片。对于有机分子器件而言,实现高效且可控的分子电导是一个巨大的挑战。理论上,电极之间分子的导电通路越多,就越容易实现高的电导,但是迄今为止,多通道的分子器件仍鲜有报道。近日,华南理工大学唐本忠院士团队赵祖金教授等开发了一种新型的单分子并联电路,利用价键共轭导电通道和空间共轭导电通道之间的协同作用,实现了优异的单分子电输运性能,为开发新一代多功能可控型分子器件提供了新的思路。 成果简介 研究人员成功制备了基于两条四联苯共轭链构建的折叠型分子 f-4Ph-4SMe,两条链末端共修饰有 4 个甲硫基,中间有一个双键对两条链进行连接和固定。晶体结构显示该分子具有规整的折叠构型,两条四联苯链近似平行地紧密排列,链间距约为 3.30 Å,因此两条链之间存在着较强的相互作用。4 个甲硫基可以与 2 个金电极相连接形成单分子结,类似于一个并联电路。溶液态的扫描隧道显微镜裂结(STM-BJ)测试结果显示 f-4Ph-4SMe 中存在着多种差异显著的电导态,该结果与单分子层状态下的测试结果相一致。结合理论计算,研究人员发现实验中测得的不同电导态是由于折叠分子与金电极之间形成的不同连接方式所导致的。当4个甲硫基全部与电极连接时,分子表现出最大的电导(10-4.4 G0);当 3 个甲硫基与电极相连时,分子电导次之(10-4.69 G0);当同一四联苯链上的2个甲硫基(如图中的 A1A2)与电极连接时,分子电导更小(10-4.94 G0);当不同链上处于对角线位置的 2 个甲硫基与电极相连时,电导最小(小于检测限 10-6.0 G0)。该研究结果也与另外两个仅具有 2 个甲硫基的对比分子的电导性能相一致。 为了进一步研究 f-4Ph-4SMe 的最高电导态,研究人员结合密度泛函理论(DFT)研究了分子的电子结构。同时,结合非平衡态格林函数(NEGF)方法,研究者们计算了分子在电极之间的透射谱以及电子在电极之间传输时的透射路径。结果显示,由于 f-4Ph-4SMe 的两条四联苯链之间具有很强的空间共轭作用,前线轨道的电子云相互交叠,产生了通过空间而不经过化学键的导电通道,使得该折叠分子不仅具有沿着四联苯骨架的价键共轭导电通道,而且在两条四联苯之间形成了空间共轭导电通道。当上下两条四联苯链同时与金电极连接并导通时,价键共轭和空间共轭通道协同作用,产生了1+1>2 的效果,从而使 f-4Ph-4SMe 分子具有优异的导电性能。当与电极连接的甲硫基减少时,所形成的导电通道也随之减少,分子导电性能也随之下降。 该研究为人们理解电子在π-π 堆叠的分子体系中的传输机制提供了一个理想的模型。研究也表明,具有多锚定基团的分子导线与电极的不同链接方式将导致不同的导电性能,为实现单分子电导的可控性提供了思路。文中所提出的新型单分子并联电路对于开发性能可调的单分子器件具有重要的借鉴意义。 参考文献 Shen, M. Huang, J. Qian, J. Li, S. Ding, X. -S. Zhou, B. Xu, Z. Zhao, B. Z. Tang. Achieving efficient multichannel conductance in […]

聚合物体系的模拟方法与应用

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概述 聚合物材料建模与聚合物工程的热-力学和其他性质的模拟,与无机材料、有机小分子材料有很大的不同,一方面,聚合物分子巨大的分子量和链内巨大的自由度给原子级的建模和计算带来很大的困难;另一方面,聚合物体系有许多独特的热-力学特性,例如玻璃化转变、粘弹性和动态模量等等;聚合物链段与其他链段、小分子、表面、纳米粒子的相互作用也与其他有机物体系区别很大。 QuantumATK 提供了友好的工具支持构建各种聚合物模型,例如热塑性和热固性高分子,线性的均聚物、共聚物、交联聚合物,聚合物熔体、嵌入小分子的聚合物、与纳米粒子、表面结合模型,等等。构建的聚合物模型可以直接使用软件提供的多种方法(基于Dreiding、OPLS-AA力场)进一步的平衡化,包括使用 force-capped-equilibration 作为初始平衡化方法、single-chain mean field(SCMF)方法、21步聚合物平衡化自动化流程工具,等等。平衡化后的聚合物可以用多种工具进行性质模拟,例如 NVE、NVT、NPT 系综的分子动力学(MD),用来模拟长时域动力学的 time-stamped force-bias Monte Carlo 方法,以及用于模拟热传导的非平衡态动量交换方法。 常用工具 自动化无定形聚合物模型建模工具 支持图形用户界面(GUI)和 Python 脚本的自动化工具 丰富的模拟方法 自动力场生成,支持 DREIDING OPLS-AA UFF 电荷平衡化可以使用 Qeq 和 ReaxFF 电荷平衡化方法 交联反应工具 参考链接: 聚合物建模教程 聚合物模拟相关的工具 应用 EUV光刻胶 热-力学性能 玻璃化转变,弹性,动态模量,粘度 热传导 聚合物相容性 研究聚合物在高形变、高剪切速率,高加热/冷却速率下的性能 模拟特定化学组分的聚合物体系 聚合物链段之间相互作用、聚合物链段与其他分子的相互作用 包裹在纳米粒子、表面周围的聚合物熔体 聚合物模拟的流程 蒙特卡洛方法聚合物链建模工具,Force-capped-equilibration,SCMF equilibration,聚合物体系热传导等都是与聚合物有关的新增方法。 可以模拟的聚合物体系 热塑性塑料 线性均聚物和共聚物 聚合物单链和熔体 控制立构规整度、单体比例和端基 与单分子、纳米粒子,表面复合模型 用户自定义单体结构 交联反应工具,可以自定义交联位点 […]

QuantumATK Q-2019.12新版发布

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QuantumATK Q-2019.12 版本已经于近日正式发布,作为新一代的原子级材料与器件模拟平台,新版的 QuantumATK 包含了很多激动人心的新增功能和性能改进。 密度泛函理论(DFT)计算引擎更新 DFT 平面波计算引擎性能显著提升 PAW 势平面波方法正式发布 k.p 方法快速计算能带 新增丰富的光学、电光性质和谱学分析工具 电子光谱带内贡献、拉曼光谱、二次谐波产生(SHG)极化率、红外光谱(含太赫兹区域)、电光张量 磁性体系的 Gilbert damping、轨道磁矩 核磁共振(NMR):电场梯度(EFG)和屏蔽张量 分子动力学工具更新 计算比热、导热、玻璃化转变温度 计算设置和分析工具包含大量易用性更新 全新的聚合物模拟工具 新增聚合物分子、熔体的建模和模拟工具 计算聚合物工程的热-力学和其他性质 众多性能改进 DFT 和半经验 NEGF 计算性能显著改进,可以计算更大的体系 力场经验势的并行效率大大提升,有助于大体系的模拟 图形界面更新 众多作图工具的增强和更新,更加方便的作图、导入导出数据等 新增报告产生工具用于大量模拟计算结果的提取、分析数据和对数据作图,方便、快速 平面波计算引擎日趋成熟 使用模守恒(NC)势和 PAW 势的 DFT 平面波计算引擎性能显著提升 平面波(PW)引擎支持更多计算,默认参数明显改进 可以使用 LCAO 计算对 PW 计算进行初始化,支持多方法混合计算模拟,更好的平衡计算准确性和速度 PAW 势 DFT平面波计算引擎正式发布 PAW 势可以使用比 NC 势更小的截断能得到相同的精度,计算速度有明显优势 提供 GPAW、JTH 两组 […]