QuantumATK功能列表

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1 概述
1.1 QuantumATK最近版本发布说明
2 QuantumATK功能列表
2.1 基本计算方法
2.2 材料与器件分析计算工具
2.3 图形用户界面、开发功能与平台支持
3 参考
4 立即试用 QuantumATK！

概述

QuantumATK 是新一代的材料与器件模拟平台，囊括了众多的计算方法和模型，可以在原子水平上研究电子态结构、能量、输运问题，进行材料动力学计算。

  • QuantumATK 可以计算纳米结构和材料的电子、磁学、光学、力学、热学等多种性质。尤其是QuantumATK 可以计算纳米器件的电子输运特性，既包括弹道隧穿情况，也可以考虑电子-声子散射计算非弹性电子输运。QuantumATK 还包含了先进的分子动力学计算引擎。

  • QuantumATK NanoLab 为用户提供了方便易用的图形用户界面，可以轻松的完成各种任务，Python 的编程接口则允许有经验的用户实现复杂的计算流程或进行高级的数据分析。NanoLab 还可以单独使用，因为 NanoLab 还为 VASP、LAMMPS、Quantum Espresso 等其他代码和程序提供接口。用户可以使用 NanoLab 进行几何结构模型构建、设置计算参数，读入、分析结构。用户还可以自己编程设计自己的接口，实现文件格式交换、数据处理作图、设计新型结构，等等。

QuantumATK最近版本发布说明

QuantumATK一直在快速持续开发，不同版本的功能差异和更新参见：

QuantumATK功能列表

基本计算方法

DFT-LCAO 计算引擎

  • 基于原子轨道线性组合（LCAO）基组的密度泛函理论（DFT）计算引擎，具有更快计算速度
  • 赝势
    • 模守恒赝势覆盖绝大多数元素（含镧系）
    • 支持 PAW 势，在保持计算速度的同时提升计算精度
  • 泛函
    • 超过 300 种 LDA/GGA/MGGA 交换相关泛函（libXC）
    • 支持 HSE06、HSE06-DDH、PBE0、B3LYP、B3LYP5 等杂化泛函
      • 快速、精确的计算数千原子体系的各种性质
      • HSE06 不仅可以用于可以用于 NEGF 器件和表面模型体系模拟
    • SCAN、R2SCAN等新型的MetaGGA泛函
    • 范德华力模型（DFT-D2 和 DFT-D3）
    • Hubbard U 项（ LDA 或 GGA），可以自旋区分
  • 自旋
    • 非共线、限制性和非限制性的自旋极化计算
    • 自旋-轨道耦合
  • 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
  • 解析计算力和张力
  • 电场
    • 在周期体系中施加匀强电场
    • 在电场下研究扩散行为等结构变化
  • 溶剂化
    • COSMO与COSMO-RS
      • 考虑溶剂分子相关的溶剂化方案
      • 扩展用于计算分子的溶液热力学性质
    • 也支持均质介电常数溶剂化方法
  • 详见：【QuantumATK中的原子轨道基组DFT计算引擎】

DFT-PlaneWave计算引擎

  • 基于平面波基组的 DFT 计算引擎，具有更高的计算精度
  • 支持 PAW 势和模守恒赝势
  • 超过 300 种 LDA/GGA/MGGA 交换相关泛函和杂化泛函
  • 支持 HSE06、PBE0、B3LYP、B3LYP5 等杂化泛函
  • 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
  • 解析计算力和张力
  • 详见：【QuantumATK中的平面波基组DFT计算引擎】

SemiEmpirical 计算引擎

  • DFTB 模型，内含多套参数，更多参数可以网站下载直接使用
  • 内置 Slater-Koster 模型，内置第四族半导体和三五族化合物合金的参数模型
  • 扩展 Huckel 模型提供超过 300 种预定义的基组，用于周期表几乎全部元素
  • 用内置的自旋分裂参数数据库增加自旋极化项
  • 非共线自旋
  • 自旋轨道耦合（参数化方法）
  • 增加 Hartree 项，用来反映对静电场的自洽响应
  • 所有模型都采用 DFTB 方法包含来自外部数据库的原子 Hartree 项自洽响应项，可以用来进行自洽计算
  • 解析计算力和张力
  • 可以采用更快速对角化方法计算百万原子体系的能带能电子态
  • 详见：【QuantumATK中的半经验量子力学计算引擎】

ForceField 计算引擎

  • 超过 300 种键级势/力场，丰富的经验力场类型和参数集
  • OLPS-AA、Dreiding、UFF等键合力场
    • 支持灵活编辑力场各项参数和组合
  • BYOP（Bring Your Own Potential）
    • Python 接口，用于添加以上任何支持类型的势（用户自己的参数或来自其他文献参数）
    • 支持将几种力场结合
  • 并行化计算
  • 详见：【QuantumATK的经验力场计算引擎】

机器学习力场

  • 包含完整的训练、验证、分析、模拟自动化流程工具
    • 使用 DFT 计算结果对力场进行训练
    • 主动学习的训练方法可以在 MD 或 NEB 过程中扩增训练集
    • 图形界面上即可实现全部操作，提供常见体系的力场训练流程模板
  • 自带若干已经训练好的MTP力场
    • 适用于多种半导体、金属、氧化物以及它们的界面体系
  • 可以用于复杂材料、表面工艺过程（沉积与刻蚀等）等动力学模拟
  • 直接用于多层堆叠生成工具可以快速优化出界面结构

离子动力学

  • 支持 LCAO、PlaneWave、SemiEmpirical 和 ForceField 计算引擎
  •  优化结构和晶胞，同时优化力和张力
  • 声子能带、态密度、热输运、振动模式分析、零点能和晶格自由能
    • 使用 Wigner-Seitz方法快速计算大体系的声子
    • 支持分析声子态密度投影
  • 优化器件几何构型（可以在非零的源—漏偏压下）
  • 计算过渡态、反应路径和能量
    • 支持可变晶胞形状和大小，模拟相变
    • 简谐过渡态理论（HTST）分析反应（转换）速率
  • 分子动力学
    • 可以用 DFT、半经验模型或经验力场进行计算
    • 加速分子动力学算法，可以模拟结晶过程
  • 加速动力学算法
    • Metadynamics（使用PLUMED库）加速动力学算法
  • force-bias Monte Carlo（bfMC）
  • 自适应动力学蒙特卡洛（AKMC）
  • 全局优化方法（基于基因算法的晶体结构预测）
  • 灵活的结构限制
  • 轨迹或单个结构分析工具（同时支持导入 VASP、LAMMPS 结果分析）
  • 力学性质分析
  • 详见：【材料的动力学模拟工具】

泊松方程求解方法（用于 LCAO、PlaneWave 和 SemiEmpirical）

  • 快速傅里叶变换（FFT）（周期体系）
  • 包含金属区域或介电区域的体系可采用两种方法：
    •  Multigrid 方法
    • 共轭梯度方法
  • 不同偶极的输运体系计算采用 FFT2D 求解（无需偶极校正）
  • 分子体系多极展开
  • “Direct” 求解方法，用于大体系（内存并行）
  • 可对不同方向独立采用狄利克雷、冯-纽曼或周期边界条件
  • 金属栅极或介电屏蔽区域
    • 可以计算晶体管特性，单电子晶体管得电荷稳定性图

计算性能选项（LCAO、PlaneWave 和 SemiEmpirical）

  • 使用最好的标准库、算法，比如 MKL、ELPA、PETSc、SLEPc、ZMUMPS、FEAST
  • 专有的稀疏矩阵库
  • 分布式内存并行选项
  • 自动确定费米能级以上需要计算多少个能带
  • 多级别并行
    • NEB 路径中间结构（或其他类似计算）并行
    • k 点并行
    • 基函数并行（多进程处理一个 k 点）
    • 能带和态密度计算
    • 自动确定每 k 点的最佳并行进程数
  • 可选缓存数据，以改进内存使用或加快速度
  • 使用磁盘替代 RAM 存储泊松方程求解格点（减少重复计算）
  • PEXSI 算法，对超大体系（DFT 方法计算 10000+ 原子）进行 O(N) 计算（参见：链接）
  • 自动多线程机制
    • 考虑 MPI 进程数的同时自动控制线程数，以合理使用资源
  • 可以 MPI 和 OpenMP 同时并行

电子态结构分析（使用 LCAO、PlaneWave 和 SemiEmpirical）

QuantumATK可以使用 DFT-LCAO、DFT-PlaneWave 和 SemiEmpirical 等工具进行实空间或者k空间的电子态结构分析，研究能带（与多种投影）、态密度（与多种投影）、电荷密度、电势、电子布居等。

非平衡态格林函数（NEGF）方法（使用 LCAO 或 SemiEmpirical）

  • 非平衡态格林函数（NEGF）方法，是研究具有开放边界条件的双端半无限电极电极模型的有力工具，现已经成为在原子尺度上模拟器件体系电子输运性质的标准工具。该方法将 DFT-LCAO 或 SemiEmpirical方法与 NEGF 方法结合进行自洽计算，得到器件体系在非平衡态（非零偏压）下的电子态，并由此得到电子在器件散射区的透射概率谱，进而分析电子输运性质。
  • 详见：【非平衡态格林函数和电子输运计算引擎】。

电子-声子相互作用（LCAO、SemiEmpirical）

  • 获得电子-声子耦合矩阵元
  • 自动完成动力学矩阵（D）和哈密顿量导数（dH/dR）的计算
  • 可以采用 Wigner-Seitz 近似计算，仍然获得准确结果
  • 采用四面体积分方法计算迁移率和电阻率
  • 器件体系采用一次自洽玻恩近似方法，大大改进了电子-声子耦合体系（如类似体材料的器件）中的非弹性输运
  • 形变势分析工具，可以直接提取有效的形变势，用于研究大体系的电声耦合
  • 计算效率非常高

其他功能（LCAO、PlaneWave、SemiEmpirical）

  • 从已经收敛的自洽的密度矩阵初始化新的计算（自动重排自旋）
  • 从共线的自旋极化计算结果初始化非共线的自旋计算以改善收敛
  • 自定义初始的自旋填充方案
  • 奇偶 k 点网格（Monkhorst-Pack或edge-to-edge zone filling），平移到 Gamma 点或自定义平移
  • 分数氢赝势和基组（用于表面钝化）
  • 低级接口用于提取格林函数、哈密顿量、重叠矩阵、自能等参数
  • Delta 测试模块用于测试赝势-基组的精确度
  • 灵活的、可自定义的冗余度框架控制输出 log 文件的内容级别
  • 按不同区域设置不同的 TB09 Meta-GGA c 参数
  • 电子占据函数：Fermi、Methfessel-Paxton、Gaussian、Cold Smearing
  • Local atomic shifts
  • 模拟外场
  • 间接溶剂模型（implicit solvent model）
  • 支持带电体系
  • 补偿电荷
    • 模拟电荷掺杂
    • 钝化表面原子

材料与器件分析计算工具

电子器件性能模拟与仿真

材料的力学和热学性质

  • 弹性
    • 使用静态方法计算材料的弹性系数矩阵、体模量、杨氏模量等；
    • 计算动态应力-应变响应，得到杨氏模量；
  • 比热
    • 使用MD方法计算比热；
  • 导热
    • 使用RNEMD计算导热；
  • 玻璃化转变温度
    • 使用MD方法计算聚合物体系玻璃化转变温度。

材料的电子学性质

  • 载流子迁移率
    • 电子弛豫时间：可以通过电声耦合求得 k 分辨、能量分辨的弛豫时间；也可以使用常数弛豫时间或常数平均自由程近似方法；
    • 丰富的分析工具：分析迁移率、电导率、电阻率、Seebeck系数、热导率、载流子浓度与温度、一阶矩和热导、费米能级位移、载流子浓度的关系；选择分析电子、空穴或二者；作平均自由程、倒数寿命和弛豫时间；
  • 有效质量和费米面
    • 通过能带曲率或微扰法分析各向异性的有效质量；
    • 计算并绘制指定能带的费米面。
  • 缺陷辅助的载流子复合
    • 支持Schokley Read Hall捕获率计算，研究光电器件中的影响效率因素、自发热和不稳定性等
    • 计算色心发光，用于与实验对照进行缺陷表征；
  • 详见：【材料载流子与导电性质计算模拟工具】。

材料的光学与谱学性质

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。

  • 线性光学性质
  • 介电性质与红外光谱
    • 计算介电常数、光学性质（太赫兹区间的折射率、消光系数、反射率）、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）；
  • 拉曼光谱
    • 计算拉曼张量、声子模式强度；
    • 考虑入射光照射到块体或二维材料上的偏振相关和偏振平均的拉曼光谱；
  • 电光效应
    • 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）
  • 非线性光学性质
    • 计算材料的二次谐波产生极化率（非线性响应函数）；
  • 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。
  • 详见：【材料光学和光谱性质的计算模拟】。

材料的磁学性质

  • 磁各向异性能量（MAE）
  • 海森堡交换分析（Heisenberg exchange analysis）
  • 自旋寿命
    • 计算在实际温度时，由电子-声子相互作用决定的自旋寿命（还与自旋-轨道耦合有关，Elliot-Yafet机理）；
  • 轨道磁矩
  • 自旋动力学
    • 计算 Gilbert damping 张量（即可以考虑各向异性），得到的 Gilbert damping 常数可以用于 TCAD S-device 和其他工具，模拟微磁体系；
    • 集成了Vampire工具，可以直接调用计算研究距离温度、磁滞回线等
  • 详见：【磁性与自旋性质模拟工具】。
  • 直接计算分析器件的 STT

聚合物材料性质

复杂聚合物建模、结构弛豫和力学-热学性质计算

  • 聚合物建模工具
    • 构建热塑性、线性均聚物、共聚物；
    • 共混聚合物体系、带有小分子、纳米粒子的聚合物体系；
    • 聚合物材料表面、聚合物-聚合物界面、聚合物-其他材料界面等体系；
    • 自动转化为粗粒化的珠子模型
  • 结构平衡化工具
    • force-capped-equilibration 作为初始的平衡化方法；
    • single-chain mean field（SCMF）方法和 21 步聚合物平衡化自动工具（Study Object）；
  • 力场
    • 支持使用UFF、Dreiding 和 OPLS-AA 力场；
  • 交联反应工具，创建交联聚合物模型
    • 定义交联反应位点和模板，模拟交联过程和交联度；
  • 性质计算
    • 计算热-力学和其他聚合物工程性质，包括：模量；玻璃化转变；非平衡态动量交换方法用于模拟聚合物导热；使用DFTB方法计算聚合物的电子性质。
  • 详见：【聚合物体系的模拟方法和应用】。

材料加工与处理过程模拟

  • 厚层生长过程实现基底加热
  • 加速分子动力学方法模拟界面等处的结晶过程
  • 热解热化学模拟，研究气相组分

半导体材料缺陷性质

  • 更方便的创建和可视化缺陷模型
  • 模拟带电点缺陷的形成能（自由能）、陷阱捕获能级等
  • 自动搜索缺陷扩散路径并研究扩散势垒和速率

图形用户界面、开发功能与平台支持

NanoLab（图形用户界面）

高级图形用户界面，具有完整易用的图形化功能。

  • 原子级结构建模工具
    • 可构建分子、晶体、表面、界面、多晶、合金、SQS、纳米结构、无定形结构、气体、液体、NEB反应路径和器件
    • 多层堆叠界面建模工具
      • 可以在图形界面上选择不同材料、不同晶面、不同组合方式构造多层界面
      • 可以使用MTP力场对结构进行快速但是精确的优化
    • 导入导出绝大多数结构文件类型
    • Python 命令行模式支持自动化建模流程
  • 结构数据库
  • 快速设置计算和复杂流程
    • Workflow Builder 支持复杂流程的设计和低代码编程。
    • 完整支持 LCAO、PlaneWave、SemiEmpirical、ForceField 等方法以及各种性质计算工作流
  • 丰富的数据处理与结果可视化工具
  • 计算项目管理
    • 全新的 NanoLab 在多种复杂模拟计算产生大量数据时可以更高效的工作
  • 脚本编辑器
  • 作业管理器
    • 在本机或远程服务器上提交串行或（多线程或多进程）并行计算
    • 作业管理（Job Manager）可以更稳定、高效的提交和监控作业
  • 参见：

Python开发平台和计算流程自动化

  • QuantumATK中包含Python 3.6 解释器，完全兼容 Python 3 的完整运行环境，计算输入文件就是 python 的脚本，支持交互式运行或批量执行命令，支持使用脚本将建模、计算设置、结果分析等步骤自定义、自动化和可视化。
  • QuantumATK 内置大量配置好的第三方模块和QuantumATK 的 python 类，支持用户编程。
  • 详见：QuantumATK中的Python编程开发环境。

平台支持

支持Linux和Windows下运行图形用户界面和计算，支持MPI并行

  • 完整的二进制安装包。不需要任何编译，不需要标准操作系统安装版本以外的库支持
    • 支持多数现代的64位的 Windows 和 Linux 发行版（图形界面和计算后端，64位）
    • 提供完整的 Python 环境，包括预编译的 numpy/scipy/ScaLAPACK（基于MKL），matplotlib/pylab，Py4MPI，SSL binding，Qt/PyQt，等等
  • MPI 并行（Windows 和 Linux 下都支持）
    • QuantumATK 基于 Intel MPI 和 IntelMKL 编译，提供 OpenMP 和 MPI 的优化均衡
    • Intel MPI 包含在安装包内
    • 可以与以下并行库一起使用：MVAPICH2（Infiniband）、MPICH2（Ethernet）等 MPICH 兼容库
  • 浮动 license 系统（Synopsys Common Licensing，SCL）

参考

立即试用 QuantumATK！

 

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