DFT-LCAO:QuantumATK中的通用密度泛函理论计算引擎

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概述

DFT-LCAO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、DFT-1/2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。

更多功能介绍详见 QuantumATK功能列表

  • 基于密度泛函理论(DFT)和原子轨道线性组合(LCAO)基组的计算引擎
  • 数值轨道基组
    • 对多数元素优化过的基组:https://molmod.ugent.be/deltacodesdft
  • 模守恒 Troullier-Martins 赝势
    • FHI/SG15/PseudoDojo 势,用于周期表包括镧系在内的全部元素,很多元素支持半芯势
    • PseudoDojo 和 SG15 势是全相对论的
  • 超过 300 种 LDA/GGA/MGGA 交换相关泛函(libXC)
    • LDA:HL,PW,PZ,RPA,WIGNER,XA 等
    • GGA:BLYP,BP86,BPW91,PBE,PBES,PW91,RPBE,XLYP 等
  • 杂化泛函支持HSE06、HSE06-DDH、B3LYP、B3LYP5、PBE3等
    • 与LCAO基组结合,计算高效、精确
    • 比平面波杂化泛函方法快上百倍
    • 可以计算超大体系(~2000原子)的性质
  • 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 Ge 的参数)
  • 范德华力模型(DFT-D2 和 DFT-D3)
  • 非共线、限制性和非限制性的自旋极化计算
  • 自旋-轨道耦合
  • Hubbard U 项( LDA 或 GGA),可以自旋区分
    • “Dual”,“on-site”,“shell-wise” 方法
  • Counterpoise 校正基组重叠误差(BSSE)
  • Ghost 原子(真空基组),更精确的描述表面和空隙
  • 虚晶近似(Virtual Crystal Approximation,VCA)
  • 解析计算力和张力

DFT-LCAO的计算性能

计算精度

使用内嵌的最新赝势和泛函 DFT-LCAO,可以在能量与结构优化、电子态和半导体带隙等全方位的计算中获得最佳的计算精度。

  • 固体结构
    • SCAN泛函在计算能量和结构方面有巨大的优势,详见:SCAN metaGGA介绍
    • Delta测试结果表明,PseudoDojo赝势+LCAO基组对于全元素周期表的计算精度很好(~1 meV)。
  • 半导体带隙
    • HSE06、MetaGGA、DFT+1/2、HSE、PPS等多种方法用于在计算半导体精确带隙。

计算速度

DFT-LCAO 对大体系的计算能力优势明显,可以高效完成平面波基组无法很难实现的数前原子体系的自洽计算,随着版本的更新,计算速度提升明显。DFT-LCAO 支持大规模的并行计算。

测试结果1:对 3220 硅原子体系进行 DFT 弛豫或动力学测试结果如下图,24 MPI 并行时每离子步耗时约 10 分钟。同时新版本内存消耗更低,因此每个节点可以运行更多的 MPI 进程。
测试结果2:对2352个水分子(总计7056原子)体系进行 DFT 动力学测试结果如下图,64进程并行时,第一步分子动力学耗时4分钟(后续离子步耗时更短)。
测试结果3:HSE06-LCAO计算比HSE06-PlaneWave计算快上百倍(详见:超快的杂化泛函计算)。

DFT-LCAO支持的计算类型

DFT-LCAO可以用于以下模型的计算:

  • 分子(Molecule)
  • 块体材料(Bulk)
  • 器件或界面体系(Device)
  • 表面体系(Suface)

DFT-LCAO可以进行各种性质的计算:

  • 几何结构优化
  • 分子动力学计算
  • 结构、电子、光学等性质计算
  • NEB过渡态与反应路径搜索
  • 声子与热性质
  • 电声耦合

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