QuantumATK:纳米材料与电子器件模拟平台

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        QuantumATK是由丹麦公司 Synopsys QuantumWise 开发的纳米材料与电子器件模拟平台。QuantumATK 是从第一个模拟电子器件输运性质的商用软件 TRANSIESTA-C 发展而来,现已集成了密度泛函、半经验、经典力场等计算方法,可以用来进行多尺度的分子体系、块体材料体系和双端电极器件的高精度计算。

      Virtual NanoLab(VNL)是与 QuantumATK 的配合使用的图形用户界面,可以方便快速的构建结构模型,设置计算脚本,提交并管理计算。VNL的结果分析功能可以生成各种高质量的二维、三维结构和数据图,使您的报告和文章更加引人入胜。

      QuantumATK和 VNL 都是基于 Python 模块 NanoLanguage 开发,继承了 Python 语言强大的可扩展性,用户可以自己定制计算、分析脚本,甚至设计新的建模工具。

      自2006年发布至今,QuantumATK已经有超过150个领先大学、国家实验室、电子公司的研究组用户用它来进行纳米电子学及相关领域的研究,发表超过700余篇学术论文。QuantumATK不仅广泛用于纳米材料与器件的计算机模拟科学研究工作中,同时也是非常适合教学课程的演示工具,学习量子力学的本科生教育和学习纳米电子学的研究生都可以从QuantumATK模拟实践中获益匪浅。

QuantumATK中的理论方法

ATK-DFT:密度泛函理论

      ATK-DFT实现了赝势和原子轨道线性组合LCAO结合的第一性原理密度泛函理论电子结构计算方法,LCAO使用的数值原子轨道基组能够更方便地控制基组参数。ATK-DFT内置的模守恒赝势则涵盖了元素周期表中全部的元素。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则可以准确、快速地计算半导体、绝缘体材料的带隙。ATK-DFT支持Hubbard+U模型(LSDA+U, SGGA+U),可以更好地处理强关联体系。

ATK-SE:半经验哈密顿量

ATK-SE引入了两种半经验哈密顿量计算方法,通过对哈密顿量的参数化大大节省了计算量,可以用于更接近实验尺度的模拟。一种是扩展休克尔理论(Extended Huckel Theory,EHT),这种方法实现了元素周期表中所有元素的超过300余种预设基组。EHT除了可以进行常规的电子态计算外,还可以和非平衡态输运理论结合用于模拟电子器件的输运性质,在保证计算精度的同时大大提高了计算速度。ATK-SE通过引入自旋分裂项自动考虑电子自旋。另外一种半经验的方法是密度泛函紧束缚近似(DFTB)。QuantumATK中包含了30余组DFTB参数,更多参数可以免费获得

ATK-Classical:经验势场

ATK-Classical提供经典力场分子动力学模拟,支持EMT势和Brenner势,可用于处理碳、碳氢化合物、硅、锗原子,能够快速地优化更大规模、更复杂的石墨烯、硅纳米线、有缺陷碳纳米管等体系。

更详细的了解QuantumATK的功能:参见文章QuantumATK功能详细列表

Virtual NanoLab:高级图形用户界面平台

       Virtual NanoLabVNL)是与 QuantumATK 配合使用的图形用户界面,功能强大、界面友好、操作简单。使用者可以根据自己的需要搭建各种结构模型,设置计算参数,管理计算任务,将计算结果可视化。除标准建模工具外,自定义建模工具可根据预设的模板生成多种结构,如纳米线、石墨烯、分子结等。VNL 提供丰富的结构数据库,包含元素周期表中全部元素的原子结构数据,常见小分子结构,和包含最大到上百个原子的各种对称性的富勒烯结构。VNL 支持多种第三方数据格式的导入和导出,以及其丰富方便的插件功能使得您能充分体验 QuantumATK 的强大的可扩展性。VNL 还通过扩展插件支持生成第三方计算代码的输入文件,例如 Abinit(从13.8开始随QuantumATK提供)、Quantum Espresso、VASP 等。

更详细的了解VNL的功能,参见文章VNL:QuantumATK的图形界面

应用:通用材料模拟

QuantumATK基于密度泛函理论的赝势法和原子轨道线性组合方法(ATK-DFT),赝势法和平面波基组的密度泛函方法(Abinit)和半经验计算方法(ATK-SE),可以用于各种分子、固体体系的结构优化和性质计算。提供的研究方法和可以进行的模拟有:

  • 电子态计算。分子能级、晶体能带结构、态密度、投影态密度分析、电子密度、差分电子密度、电子静电点位差、电子局域函数(ELF)、功函数等
  • 结构优化。计算原子受力与晶格张力,进行结构优化。优化过程中可以固定其中部分原子。
  • 分子动力学模拟。支持Velocity Verlet 算法和NVT(Berendsen)系综。
  • 过渡态搜索。采用Nudged elastic bands (NEB)方法研究化学反应过渡态、反应路径、活性能,支持CI-NEB方法。改进Halgren-Lipscomb方法预优化NEB路径,离子优化步数减少50%。
  • 光学性质计算。用Kubo-Greenwood方法计算块体材料的线性光学性质,如复介电函数、吸收谱、折射系数、极化率等。
  • 声子态研究。计算固体的声子谱和声子态密度

应用:电子器件模拟 

QuantumATK采用非平衡格林函数方法计算纳米器件在外置偏压下的电子输运性质,实现在外置偏压情况下的几何结构优化。全面系统地分析透射谱性质,包括:

  • 电流-电压特性曲线、微分电导曲线
  • 电子透射系数谱、透射本征值和本征态、实空间透射路径分析、电流密度、自旋极化输运等。
  • 器件区电子态分析。计算实空间局域态密度(LDOS)、器件区电压降、分子投影哈密顿量分析(MPSH)、器件区投影态密度(PDOS)等。
  • 复能带结构。
  • 高级静电势模型,引入多个方形电极模拟晶体管、场效应管中得栅极。
  • 基于Ghost atoms技术模拟电子在真空中远程离域作用,如模拟STM隧道电流。

 
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