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 […]

STD方法:高效快速的考虑非零温度下晶格振动对电子性质的影响

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概述 晶格振动(声子)对半导体电子态,尤其是光吸收和电子输运性质有重要影响,这种影响需要在计算电子性质时考虑电子–声子相互作用(电声耦合)来体现。通常采用第一原理方法进行此类计算都非常的耗时,很难实际应用。这里介绍一种高效快速的考虑电声耦合计算非零温度电子输运性质的方法:Special Thermal Displacement(STD)方法。   STD方法的原理 这种方法由Zacharias在2016年讨论固体光吸收性质时提出【1】,其基本思想是找到一个带有“平均原子位移”(即STD)的超胞结构来代替晶格振动引起的统计效应,进而包含晶格对带隙和光吸收行为的影响,下图可以明显的看到STD随温度的变化。   STD方法有效性以及如何得到STD的理论推导详见【1】。STD 方法已经包含在QuantumATK材料与器件模拟平台中,不仅可以用于块体材料模型,也可以用于器件模型。更多关于QuantumATK的介绍,请参见文末的教程和文章列表。   应用:半导体光吸收性质 文章【1】给出了几种带隙材料的光吸收计算结果,采用这种方法计算得到的半导体材料光吸收谱与实验非常一致。   应用:器件电子输运性质 文章【2】将STD方法应用在讨论半导体器件的非弹性电子输运现象中,也取得很好的效果。下图的计算结果显示,STD方法和传统的LOE或XLOE方法(微扰方法包含完全的电声耦合对电流的贡献,详见文末的案例教程和参考文献)给出了一致的非弹性电流。下图PLDOS的计算也给出了晶格温度(300K)对能带的影响。     应用:pn结与二维器件光电流 文章【3】将这种方法与光电流计算结合,研究了硅pn结的光电流和开路电压。光电流谱结果显示,STD方法可以很好的考虑非零的晶格温度效应。   对器件在光照情况下的伏安特性研究得到了器件的IV曲线和开路电压随温度的变化关系,用STD方法包含电声耦合效应给出了更接近实验数据的结果。     文章【4】用STD方法研究了如下的二维材料(MoSSe)堆叠形成的器件的光电流特性。   STD方法的优势 由于STD方法不需要计算哈密顿量对原子坐标的导数(dH/dR),因此可以节约大量的计算时间成本。下表显示使用QuantumATK对同一体系的计算时间。很明显,STD方法由于进行了更复杂的计算,因此比不包含电声耦合的计算要慢(实际计算时还可以选择更快的收敛方法)。但是,STD方法比得到一致结果的 LOE 方法还是要快很多。更重要的是STD方法对内存的需求小很多,因此在普通的节点上即可计算,而这里的LOE方法计算则是在超大内存的胖节点上完成的。   STD方法需要对体系进行一次动力学矩阵的计算,该计算是STD最耗时的部分。为此,QuantumATK中还包含了计算动力学矩阵的Wigner-Seitz近似方法,以避免使用耗时的有限位移超胞方法,可以大大加快动力学矩阵的计算速度。   案例教程 QuantumATK中包含了LOE、XLOE 和 STD等考虑电声耦合计算非弹性电流的方法以及光电流计算工具等: LOE/XLOE:https://docs.quantumwise.com/tutorials/inelastic_current_in_si_pn_junction/inelastic_current_in_si_pn_junction.html STD方法:https://docs.quantumwise.com/casestudies/std_transport/std_transport.html 光电流计算:https://docs.quantumwise.com/tutorials/photocurrent/photocurrent.html   参考文献 【1】STD方法原理与光吸收计算:Marios Zacharias and Feliciano Giustino. One-shot calculation of temperature-dependent optical spectra and phonon-induced […]

DFT-PlaneWave:QuantumATK中的平面波密度泛函理论计算引擎

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      从 O-2018.06 版开始,QuantumATK 材料与器件模拟平台新增了 DFT-PlaneWave 全功能平面波密度泛函理论计算引擎。代码与平台的图形用户界面 NanoLab 完美集成,可能是目前最灵活和友好的平面波程序。DFT-PlaneWave 实现了赝势和平面波基组相结合的第一性原理密度泛函理论电子结构计算方法。DFT-PlaneWave 使用内置的模守恒赝势,涵盖了元素周期表中绝大部分的元素。ATK-DFT 实现了众多版本的局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)的交换关联函数。meta-GGA、DFT-1/2、HSE06杂化泛函等则可以准确、快速地计算半导体、绝缘体材料的带隙。 现代的平面波 DFT 代码,完全自主开发的程序 基于平面波基组的 DFT 计算引擎 针对所有元素都有默认的网格截断能设置 支持杂化泛函(使用新颖的 Adaptively Compressed Exchange(ACE)算符方法,比传统方计算性能更佳)(参考:https://arxiv.org/abs/1601.07159 & https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.6b00092) 可选模守恒 Troullier-Martins 赝势 FHI/SG15/PseudoDojo势,用于周期表几乎全部元素,很多元素支持半芯势 PseudoDojo 和 SG15 势是全相对论的 可选PAW势 使用更小的平面波截断能计算 GPAW/JTH两套PAW势数据,支持稀土元素计算 超过 300 种 LDA/GGA/MGGA 交换相关泛函(libXC)完全列表参见这里) LDA:HL,PW,PZ,RPA,WIGNER,XA 等 GGA:BLYP,BP86,BPW91,PBE,PBES,PW91,RPBE,XLYP 等 用于半导体和绝缘体精确带隙计算的方法 MetaGGA DFT+1/2 经验的“赝势投影算符移动”(Pseudopotential Projector Shift,PPS)方法(内含 Si 和 […]

VNL作为LAMMPS的用户界面

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概述 LAMMPS 是一个应用广泛的经验力场分子动力学程序,使用VNL可以: 快速构建多种模型并导出LAMMPS的文件; 导入LAMMPS 分子动力学轨迹,并使用VNL中的分析功能进行分析。 现在申请【获取永久免费学术版的VNL图形界面】,即可获得这些功能! 使用VNL快速构建结构模型 导入数据库中的结构 导出LAMMPS的数据格式 构建块体、表面、界面结构 构建分子模型 构建随机合金、多晶体系 构建无定形体系 使用packmol将分子充填到晶胞 更多详细介绍,请参见:【VNL的建模功能】。 使用 VNL 分析 LAMMPS 的结果 VNL支持超大体系的显示和分析 原子数可达百万级 VNL可以直接由分子动力学轨迹得到体系的各种分布函数和性质: 径向分布函数 速度/动能分布 速度自相关函数 局域质量密度分布 局域应力分析 从MD轨迹计算声子DOS 配位数分析 角分布函数 均方位移 Evolution of average nearest neighbor number with tine 中子散射结构因子 弹性常数(应力-应变曲线) 多种函数重叠作图 支持柱状图、线状图 显示MD模拟过程的原子速度 显示MD动画并支持自定义显示、按帧导出结构 导出动画文件 相关实例教程 使用VNL产生无定形结构 英文教程:Generating Amorphous Structures VNL和LAMMPS一起使用进行分子动力学研究 教程:在VNL中导入LAMMPS轨迹文件。 […]

QuantumATK图形界面现支持远程服务器作业提交

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最新的QuantumATK 2015版中的Job Manager支持设置设置远程服务器提交任务,该方法的特点是: 安全:仅使用SSH端口的加密通信;服务器端无需后台进程,无需单独开放其他端口,有效保障安全性,特别适合公共服务器上部署计算; 简单:支持自动创建任务文件夹和提交脚本,不需要终端登录服务器进行任务提交; 强壮:任务成功提交之后,即可断开与服务器的连接;不必担心网络问题造成的计算中断; 便捷:随时可以联机查看即可查看任务、下载计算结果。 参考 如何在图形界面上配置向远程服务器提交计算作业?(【详情】) 更多QuantumATK 2015版新功能详见:【VNL-ATK 2015 正式发布】 立即试用 QuantumATK! 下载QuantumATK软件安装包 申请QuantumATK的全功能试用许可  

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 […]

VNL-ATK 2014.3 更新发布

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VNL-ATK 2014.3更新版本正式发布。此次更新修正了若干程序错误。请在更新维护期内的用户务必更新到最新版本。 主要变化 自旋极化、旋轨耦合、和非共线模型的许多修正 BSSE和Grimme势现在可以一起使用 nlsave和nlread现在可以正确保存和读取MGGA-TB09的c值 ATKClassical、TremoloX的更新 下载地址 http://www.quantumwise.com/download 更新详情 Serious bugs (frequent, or affecting calculation results, or causing large disruptions in core functionality) Spin-orbit, spin-polarized and non-collinear models corrected and improved Updated how all 3D grid objects are handled w.r.t. spin for consistency and correctness. For instance, you no longer specify the spin parameter […]

QuantumATK 支持的计算工具

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QuantumATK支持多种计算工具,包括四种QuantumWise自主开发的DFT-LCAO、DFT-PlaneWave、SemiEmpirical、ForceField。此外还支持VASP、Quantum Espresso、LAMMPS等多种第三方计算工具。 更多功能详情参见:【QuantumATK功能列表】。 以下计算引擎由 Synopsys QuantumATK 自主开发,直接整合在 NanoLab 图形界面中,功能丰富,操作方便。 密度泛函理论(DFT)计算引擎:DFT-LCAO 基于原子轨道线性组合(LCAO) 平面波 DFT 计算引擎:DFT-PlaneWave 基于平面波基组 半经验量子力学计算引擎:SemiEmpirical 支持DFTB(Slater-Koster)和 Extended Huckel Theory 两种方法 经验势计算引擎:ForceField(原ATK-Classical) NanoLab 图形界面还支持以下第三方计算工具: 广受欢迎的密度泛函固体计算程序:VASP(官网) 详细情况 多功能密度泛函计算程序:Quantum Espresso(官网) 参考:NanoLab 用作Quantum ESPRESSO的图形界面 注:以上两种计算代码本身不随程序包提供,用户需要自行从官方网站获取License并正确安装。 NanoLab 支持导入并分析计算结果的第三方工具: 材料学分子动力学计算工具:LAMMPS 参考:导入并分析LAMMPS的计算结果轨迹 注:以上计算代码本身不随程序包提供,用户需要自行从官方网站获取License并正确安装。  

使用NanoLab进行VASP计算

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NanoLab支持用户使用自己的VASP代码进行计算,包括: 使用NanoLab进行建模 导出成POSCAR文件;  使用NanoLab图形界面进行VASP的计算设置: 生成输入文件 POSCAR文件 KPOINTS POTCAR INCAR:支持结构优化、态密度、能带、分子动力学、NEB等VASP计算设置 支持预览并自行修改INCAR参数行(2016版新功能) 了解NanoLab建模功能的详细情况和优势 使用NanoLab进行对VASP的结果进行直接分析和可视化,支持读入以下文件数据: 读入POSCAR、CONTCAR中的结构 读入OUTCAR中的结构优化过程和原子受力等信息 读入DOSCAR中的态密度作图分析,并进行投影态密度PDOS分析 读入EIGENVAL中的能带结构,并用能带分析工具作图分析 读入CHGCAR、PARCHG、ELFCAR、LOCPOT等三维格点数据并作图 读入VASP的分子动力学轨迹,并使用所有MD分析工具 参考教程: 在NanoLab中使用VASP进行计算 使用NanoLab和VASP进行NEB过渡态搜索计算 说明:QuantumWise和费米科技并不提供任何形式的VASP代码,用户需要自行与VASP开发组(http://www.vasp.at)联系获得使用授权,并正确编译、安装VASP程序。