QuantumATK Q-2019.12新版发布

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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

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

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。

 

 
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