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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 PAW 势,并提供混合的优选 PAW 势(Suggested)(平均误差~0.67meV)
- 支持 LDA、GGA、PAW-HSE 等计算
- 对 Al、BN、BP、C、Si、SiC、beta-GaN、LiF、MgO 和 Rh 等材料的晶格常数和体模量计算的平均误差为 0.38% 和 4%(与实验相比)
- 直接和间接带隙的计算得到的结果也得到很好的结果
- 参考链接
新增 k.p 方法快速计算准确能带
- k.p 方法可以用于快速计算能带,尤其是使用 HSE 杂化泛函时可以大大节省计算时间
- 例如 Bi2Se3 的能带:k.p 方法用时 4 小时;普通能带方法用时 70 小时;
- 参考链接
电子光谱的带内贡献
- 光学谱计算现在包括带间和带内贡献
- 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
- 使用 Drude 模型计算带内贡献
- 参考链接
拉曼光谱
- 计算拉曼张量、声子模式强度
- 入射光照射到块体和二维材料上的偏振相关和平均的拉曼光谱
- 参考链接
声子模式的极化 LO/TO 劈裂
- 极性固体中原子不同的 Born 有效电荷导致极性声子(LO/TO)劈裂
- 计算包含宏观场对动力学矩阵,来自从光学谱得到的高频介电张量和 Born 有效电荷的的贡献
- 参考链接
二次谐波产生(SHG)极化率
- 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
介电性质和红外光谱
- 新的介电张量分析模块可以用于模拟各种介电性质,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
电光张量(Electro-optical tensor)
- 使用全新的 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
磁性体系的 Gilbert damping(自旋动力学)
- 新增 Gilbert damping 分析工具用于计算 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
- 可以模拟晶体、合金、表面、界面的 Gilbert damping
- 使用 Kambersky torque-torque correlation 模型
- 参考链接
轨道磁矩
- 新增轨道磁矩分析工具
- 参考链接
电场梯度(EFG)与核磁共振(NMR)谱
- 新增 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
- 参考链接:EFG
- 新增 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:NMR
增强迁移率和电子-声子散射模拟
- 考虑布里渊区对称性大大节省计算量
- 新增两种计算电阻率的近似方法计算金属电阻率:常数平均自由程法(纳米结构)常数弛豫时间法(块体)
- 由迁移率计算结果计算电子和空穴的热速度
- 大大改进迁移率相关分析工具: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、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
- 大大改进电声耦合分析工具
- 参考链接:Mobility
- 参考链接:ElectronPhononCoupling
局域态密度(LDOS)
- 全新的 LDOS 分析工具,方便定位分析位点和作图
- 参考链接
有效能带(能带展开)更新
- 现在可以将有效能带投影在自旋、原子、元素、壳层、轨道等
其他分析工具更新
- 态密度(DOS):可选按体系、面积、长度、原子数归一化
- 从 DOS 和 Fermi 分布计算载流子浓度,用于估计产生相应费米位移所需的掺杂浓度
- Born 有效电荷计算改进
- 自定义分析工具模块中的 mesh cutoff(例如 PLDOS),得到更高精度的图像
- 在光学谱上显示可见光谱
动力学模拟更新
- 新增两个分析工具:比热和玻璃化转变温度,可以从 MD 轨迹结果中获得
- 新增在分子动力学(MD)过程中高频的记录自定义性质“测量”结果,并可以在 MD 分析工具中作图
- 新增体系受限时张力响应的 MD 模拟方法
- 新增预定义力场 MD 和 DFT-MD 的计算流程模板,减少设置模拟计算的时间
- DFT-MD 的密度恒定的熔融-淬火、压力恒定的熔融淬火;
- ForceField-MD 的 21 步聚合物平衡弛豫、密度恒定的熔融-淬火、压力恒定的熔融淬火、稳定 NPT平衡弛豫;
- TFMC 熔融-淬火
- Time stamped Force bias Monte Carlo 方法改进
- MD 设置图形界面中的大量的改进,MD 轨迹作图也有多种改善
- 更方便的 MD logging
- 删除 MD 轨迹中的结构、组合 MD 轨迹
力场更新
- 更方便的力场选择工具
- 力场的静电贡献:QEq 方法计算电荷;更方便的方法包含各种方法输入的部分电荷(比如来自 QEq 方法或 DFT 计算)
比热计算
- 使用 MD 计算比热
玻璃化转变温度
- 使用 MD 模拟计算玻璃化转变温度(Tg)
应力-应变 MD
- 新增 stress-strain 模拟(NPT MD)研究体系在应变下的应力响应,由线性拟合得到杨氏模量
结构优化更新
- 恒定体积优化
- 自动保存之前优化状态,重新提交自动续算
- 用户设定保存中间状态的周期
其他动力学更新
- HTST 速率计算工具更新
- 晶体结构预测自定义 fitness 函数
- 剪切粘度(beta 版)
机器学习 Moment-Tensor-Potential(MTP)
- MTP 可以计算原子结构的相互作用,精度与从头算类似,但是计算效率高几个数量级
- 使用从头算计算的数据集进行 MTP 的训练
- MTP 是目前市面上最高效的机器学习势之一
- QATK 实现了使用给定参数集的 MTP 进行动力学计算,提供拟合工具(beta 版)用于训练 MTP 势的训练,训练数据包含 QATK 的轨迹(结构以及每个结构的从头算能量、力、张力)
聚合物模拟
- 友好的聚合物建模工具,用于构建热塑性、线性均聚物、共聚物、聚合物共熔体、内嵌分子的聚合物、纳米粒子和表面等体系
- 新增多种方法用于聚合物体系的平衡化,例如 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)
- 支持 Dreiding 和 OPLS-AA 力场
- 多种聚合物模拟工具,用于计算热-力学和其他聚合物工程性质,包括使用 NVE、NVT、NPT 系综,time-stamped force-bias Monte Carlo 方法用于长时间模拟,以及非平衡态动量交换方法用于模拟聚合物导热
计算性能提升
- DFT 和半经验 NEGF 计算性能提升,例如左右电极的并行化、引入横向的电极重复等,使得模拟更大体系成为可能
- 优化了 DFT-LCAO 张力计算,用于结构优化和 MD 模拟
- 更快的 DOS/PLDOS 并行化计算
- 大大改进了ForceField 经验势的并行效率,加速大体系的 MD 模拟
图形界面(NanoLab)更新
- 建模工具中的移动工具升级,更加方便的平移、旋转和对齐工具,新增脚本建模工具用于表面和界面建模
- 新增建模工具,例如:晶界建模工具,Heusler 合金建模,更新的 Packmol 工具可以用于构建无定形结构
- 重新设计的 Job Manager 布局;可以使用特定的作业设置提交多个计算
- 新增报告生成工具,用于大量计算模拟结果数据的提取、分析和作图,十分便捷
- 增强二维数据作图工具:数据导出;新增数据线平滑方案
获取和使用QuantumATK Q-2019.12
- 在维护期的用户可以马上从 Synopsys Solvnet 网站下载最新版本
- 要运行 Q-2019.12 版,用户需要使用 Synopsys Common Licensing(SCL)2018.06-SP1 以后的版本,相关版本 SCL 和更新的 license 可以从 Synopsys Solvnet 下载。