目录
隐藏
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
图：DFT-PW-PAW计算Delta测试结果，使用Suggested势，Default波函数截断。
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
图：DFT-HSE k.p能带计算比全能带计算节省数十倍时间。
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
图：包含带内贡献的介电函数谱。
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
图：偏振方向相关的拉曼光谱计算分析。
图：拉曼位移计算值与实验的对照。
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
图：STO中的极性声子，虚频是由于铁电不稳定性引起。
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
图：SHG极化率计算与实验结果的对照。
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
图：介电张量分析工具。
图：红外光谱分析工具。
图：太赫兹区间折射率谱的计算与测量结果对照。
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
图：Gilber damping常数的计算。
轨道磁矩
- 新增轨道磁矩分析工具
- 参考链接
图：轨道磁矩的计算分析。
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
图：全新的迁移率等输运性质分析工具。
图：全新的平均自由程、倒数寿命和倒数弛豫时间分析工具。
图：全新的电声耦合分析工具。
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
图：全新的互动式LDOS分析工具。
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
图：有效能带现在可以进行投影分析。
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
图：在光学谱上重叠显示可见光谱彩图。
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
图：比热的计算分析结果。
玻璃化转变温度
- 使用 MD 模拟计算玻璃化转变温度（Tg）
图：玻璃化转变与Tg的拟合。
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
图：应力-应变动力学与杨氏模量计算。
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
图：QuantumATK中提供的聚合建模、平衡化、模拟以及其他高级工具。
图：聚合物模型与动力学性质分析。
图：超大体系的分子动力学计算性能。
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。