QuantumATK S-2021.06新版发布

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QuantumATK完整的功能列表

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新版功能亮点

机器学习(ML)力场(Moment Tensor Potentials,MTPs)
  • 模拟实际的、复杂的多元素晶体、无定形材料、界面,缺陷和杂质的迁移势垒、热输运、结晶过程等,比 DFT 快 100~1000 倍
  • 使用自动的流程工具对力场模型进行训练、验证和模拟,为新材料和新问题开发新的力场(内嵌硅的 MTP 力场)
    • 使用从头算数据集进行训练、提升 MTPs
  • 是目前市面上最精确和高效的 ML 力场
    • 与从头算精度几乎一致,特别适合没有传统力场或需要更高精度的情况
  • 主动学习 MTP 可以在分子动力学(MD)模拟过程中自动增加 DFT 训练集
    • 有助于更好的获得(高温条件下)无定形材料、液体的结构
  • 在 MD、NEB 和加速的 MD 方法中使用 MTP 力场
    • 加速的 MD 方法包括可以对罕见事件采样、研究慢速机制的 fbMC等
复杂半导体材料、界面和栅极堆叠
  • 使用 ML MTPs 获得真实的晶体、非晶材料、界面、栅极堆叠结构,模拟掺杂扩散、热传输和结晶过程等,研究诸如非晶 HfO2 和 GST 相变材料、HKMG 堆叠等
  • 采用介电相关的杂化泛函 HSE06(HSE06-DDH)方法,研究由不同带隙的多层结构组成的材料、接口和栅堆(例如HKMGs)结构的快速、高精度电子性能
    • HSE06-DDH 方法采用与材料相关的精确交换作用的比例系数
    • 与 LCAO 基组一起,可以使用有限的硬件进行高效的大规模模拟
  • HSE06-LCAO 现在可以实现包含应力和自旋极化的几何优化
    • 与 HSE06-PlaneWave 相比,精确的大规模电子特性级模拟速度更快
  • 新的 Inverse Participation Ratio(IPR)分析工具,用于评价局域态
    • 深入分析部分具有缺陷、非晶材料、表面和界面的体系的电子态和振动态,例如 HKMG 和 3D-NAND 存储器堆叠。
  • 绘制 PDOS、LDOS 和 PLDOS 中的带边
  • 改进对缺陷与掺杂的模拟
    • 更容易设置单个缺陷迁移路径
    • 应用约束和点缺陷对称性,以降低缺陷扩散模拟的计算成本,例如在HKMG堆中的界面处
一维和二维材料构成的 FET
  • 新的 HSE06-NEGF 方法可以更精确的计算能带排列图和器件 I-V 特性(与 PBE-NEGF 相比)
  • 半经验计算中,与 Dirichlet 相比,在输运方向上使用 Neumann 边界条件进行更精确的开态计算
  • 与并行共轭梯度(PCG)求解器相比,使用非均匀网格的新 Poisson 求解器对具有真空区域的栅极器件的模拟速度提高了 80%

 

新型 STT-MRAM 存储设计
  • 用 ML-MTPs 获得 MRAM 中磁性隧道结的真实界面结构和能量评价。
  • 全新的磁性计算工具,如海森堡交换耦合,交换刚度,居里温度。
  • 海森堡交换计算速度提高了 10-100 倍,而且可以计算非共线自旋和自旋轨道耦合。
  • 磁各向异性能量投影模拟有了 60 倍的速度提升和 70% 的内存需求减少。

 

高级表面工艺过程模拟
  • 表面工艺过程模拟工具功能增强,可在溅射、刻蚀(ALE)和沉积(ALD)工艺过程中,扫描一系列向表面“发射”的原子的冲击能量和入射角,以得到最大产率
  • 计算反应器尺度模型等所需的量,如溅射产率和粘附系数
  • 利用 GUI 中最新实现的热化学选择性分析工具,筛选过程中的关键反应,寻找理想反应物和最佳反应条件
    • 利用热化学数据库中的反应物和产物

 

电池材料模拟与设计
  • 建模
    • 改进分子在表面吸附的建模插件,新增纳米粒子建模工具,可以创建纳米粒子电极
  • 力场模拟
    • 用于常见电解质的新型键合 OPLS 力场和用于定制电荷和简单原子类型分配的 OPLS-Min
    • 在 GUI 中方便地调用键合力场,并可编辑力场所有项,包括扭转力场项
    • 大规模固体电解质界面(SEI)模拟使用  ReaxFF 力场 MD 可以比前一版本快3倍,还可以将键合力场和常规力场在 GUI 中结合使用
    • 使用图形用户界面简单的设置部分电荷,模拟静电相互作用
    • 从分子动力学得到振动光谱,理解分子间的相互作用和液相溶剂化
    • 表面过程建模和热化学分析工具,用于模拟电极表面上的反应
  • 密度泛函理论模拟
    • 使用杂化泛函,包括 HSE06 和新增加的 PBE0,B3LYP,B3LYP5 更精确的计算电子结构,结合能和扩散势垒。
      • 与平面波基组相比,使用 LCAO 基组可将速度提高 100 倍,从而实现高效的大规模模拟
    • 更精确的模拟结合能,找到吸附位点
聚合物模拟
  • 使用键合力场(OPLS-AA、OPLS-Min、Dreiding、UFF)并可以在 GUI 中编辑这些力场,更方便地设置聚合物模拟
  • 在 GUI 中将键合力场和常规力场结合使用,更精确地模拟聚合物-无机材料和聚合物-纳米颗粒界面
  • 使用 QEq 方法以图形化方式建立和模拟带有离子电荷的聚合物体系,特别是与光刻胶聚合物相关的体系
  • GUI 支持聚合物建模工作流程中的UnitedAtom模型,通过将氢原子合并于附着的碳原子来加速聚合物模拟

详细更新列表

密度泛函理论(DFT)更新

此版本新实现了基于 LCAO 基组的介电依赖杂化泛函(HSE06-DDH),用于快速和高精度地模拟复杂半导体材料、界面,以及由具有不同带隙的多层组成栅极堆叠结构的电子特性(例如先进半导体逻辑电路的 HKMG 堆叠)。此外,实现的杂化泛函PBE0、B3LYP 和 B3LYP5 杂化泛函可以得到更精确(相对于GGA DFT)的分子 HOMO-LUMO 能隙、结合能、活化能、扩散势垒,这些都与电池材料、光学性质(极化率和极化率各向异性)、液晶等体系和性质的研究有关。

  • 【新增】介电依赖杂化泛函(HSE06-DDH)

    HSE06-DDH-LCAO改进宽带隙材料的带隙计算

    • R-2020.09 版本引入的 HSE06-LCAO 使用固定的精确交换作用比例系数(alpha=0.25),这对低带隙的材料可以给出很好的带隙;
    • 新实现的HSE06-DDH 改进了这个方法,采用与材料有关的 alpha 值,这样可以对更广泛的材料给出更好的带隙;
    • HSE06-DDH 对精确模拟界面和栅极堆叠结构的电子态非常重要;
    • LCAO 基组联合 HSE06-DDH 方法可以使用有限的计算资源高效率的计算非常大的体系。
  • 【更新】HSE06-LCAO
    • 实现了自旋极化、自旋非共线和自旋-轨道耦合计算;
    • 实现晶格张力计算,可以用于结构优化;
    • 默认应用于 k 点采样的 Born-von Karman 边界条件可以大大减少内存消耗;
    • 可以在 GUI 上调节 HSE06 的屏蔽距离和精确交换作用比例系数 alpha;
    • 实现 HSE06-NEGF 计算,可以更好的模拟能带排列图和器件的伏安特性。
  • 【新增】杂化泛函 PBE0、B3LYP 和 B3LYP5

    新增杂化泛函对分子体系可以得到很好的结果

    • 实现了杂化泛函 PBE0、B3LYP 和 B3LYP5,可以更好的计算分子的 HOMO-LUMO 能隙、结合能、活化能、扩散势垒和光学性质(极化率和极化率各向异性)等;
    • 可以选择平面波 PlaneWave 基组或 LCAO 基组,可以包含自旋极化,可以进行晶格张力计算;
    • 可以在 GUI 上调节屏蔽距离和精确交换作用比例系数 alpha;
  • 【更新】其他 DFT 计算
    • 现在可以在 GUI 上对 LCAO 和 PlaneWave Calculator 直接组合各种交换和关联泛函,并控制组合的比例;
    • MetaGGA TB09 的 alpha 和 beta 参数可以直接在 GUI 上设置,来得到预期的带隙;
    • 实现了 PlaneWave 基组和 PAW 势结合的非共线自旋和非共线自旋-轨道耦合计算;
    • 支持 PlaneWave-PAW 方法的投影态密度(PDOS)计算和投影能带(Fat Bandstructure)计算。

分析计算工具

利用新实现的电子和振动 Inverse Participation Ratio(IPR)分析工具,可以对不均匀的体系进行深入的电子和振动分析:缺陷体系、非晶材料、表面和界面,以及 HKMG 堆叠、3D-NAND 存储堆叠和其他体系。

新版本中的海森堡交换计算速度提升了 10~100 倍,并开始支持非共线自旋和自旋轨道耦合,可以获得海森堡交换耦合、居里温度和交换刚度等更丰富的性质,这为设计新的 STT-MRAM 内存提供了更好的工具。

  • 【新增】Inverse Participation Ratio(IPR)分析工具
    • 用于分析局域态,包括对缺陷体系、非晶材料、表面和界面、HKMG 堆叠、3D-NAND 存储堆叠和其他体系进行深入的电子和振动分析;
    • 计算 IPR 对能量的函数可以帮助区分延展态(对应于普通的能带)、弱局域态(对应于类似浅缺陷和捕获能级)和强局域态(对应于类似深缺陷和捕获能级)
    • 可以将 IPR 计算与能带和 PDOS 计算叠加投影于特定原子,帮助分析哪些原子对应于某个局域态。
    • 使用 LCAO 和 SemiEmpirical 计算 IPR。计算振动 IPR 需要计算 DynamicalMatrix。
    • GUI 支持计算设置和结果可视化。
  • 【更新】海森堡交换分析工具
    • 海森堡交换分析现在可以使用原胞进行计算,因此可以提速 10~100 倍(与考虑的相互作用范围有关);
    • 在自旋极化和非极化计算的基础上,实现了对非共线自旋和自旋轨道耦合计算的支持;
    • 计算更多的海森堡交换性质:海森堡交换耦合、交换刚度、居里温度等,对 STT-MRAM 体系模拟很重要(需使用脚本实现)

器件(NEGF)体系计算更新

新版本开始,NEGF 方法可以与 HSE06 杂化泛函结合(HSE06-NEGF)更好的模拟能带排列图和伏安特性。新实现的Neumann 边界条件方法可以使得 SemiEmpirical-NEGF 计算得到更准确的开态。这些方法都可以对新颖的一维和二维材料构成的 FET 器件进行更好的模拟。

  • 【新增】HSE06-NEGF
    • 更好的模拟能带图和伏安特性
    • 更好的筛选优化FET的沟道材料
  • 【更新】Neumann 边界条件
    • 新实现的 Neumann 边界条件可以用于 SemiEmpirical-NEGF 方法
    • 与Dirichlet方法相比可以更好的计算开态,改进收敛性。
  • 【更新】IV Characteristics
    • 引入参数控制栅极电势相对于电极的排列,并控制零栅压时的能带排列,这可以用于模拟金属栅极具有不同的功函数时的情况
    • 多次计算 IV Characteristics时,PLDOS 的计算结果将重复使用,不必每次都重新计算
    • 左电极作为默认源极
  • 【新增】Counterpoise corrections用于 Device 和 Surface 模型
    • 在 Surface-NEGF 和 Device-NEGF 模型中实现了能量和力的计算的 Counterpoise 校正,消除 LCAO 中存在的基组重叠误差(BSSE)(块体体系的Counterpoise校正已经在早先的版本中实现)
    • 可以用于模拟分子在表面上吸附或两个表面的相互作用
    • 电池材料领域的应用包括:表面吸附电解质分子;两电极器件之间的分子吸附

经验力场更新

传统的力场往往受到其函数形式的限制,只能精确地描述相空间的一小部分。对于复杂的材料或界面,通常是通过将各种简单体系计算得来的经验势拼凑在一起,这是一个耗时而且复杂的过程,特别是对于非晶结构和不同材料之间的界面等复杂体系,因此常常会导致很大的误差。这个版本正式引入机器学习力场 Moment Tensor Potential(MTPs)。这种力场使用一组从头算的数据集进行模型训练,可以用于模拟复杂的、多元素的晶体、非晶、液晶、界面、缺陷和掺杂等实际体系,计算精度接近从头算,但是要比从头算快100~1000 倍。

  • 【新增】机器学习力场:Moment Tensor Potentials
    • MTPs 力场可以高精度、快速的计算相互作用(能量、力、张力),进行分子动力学、结构优化和 NEB 模拟;
    • MTPs 使用不同材料、元素的代表性结构的从头算结果数据集进行训练;
      • 包含自动化的流程框架(Study Object 脚本),完成对力场模型的训练、模拟、验证,因此用户可以自行扩展和开发适用于新材料的 MTPs 力场;
      • 此版本包含已经针对 Si 体系训练的 MTP 力场;
    • 主动学习的 MTP模拟可以在MD过程中自动添加训练数据,可以用于高温模拟,无定形材料模拟和液体;
    • 使用delta方法可以扩展MTP(将多种MTPs叠加使用),用于更复杂的多层体系:训练MTP使得可以不损伤已有材料MTPs精度的前提下添加新的材料层。
    • MTP相对于其他机器学习势的优势:
      • 描述符可以有效的描述多体效应;
      • 描述符不需要高度复杂和计算耗时的ML算法;
      • 训练集可以在不损伤精度的情况下扩增,不需要进行数据清洗。
  • 【新增】经验力场编辑工具
    • 新功能:在 GUI 脚本设置工具中直接选择键合力场,使用力场编辑工具设置(Dreiding,OPLS-AA,OPLS-Min,UFF)的组成和非键项精度;创建力场时还可以自动归属力场的原子类型;
    • 可以将键合力场与其他经验力场结合,用于模拟复杂体系;
    • 可以使用模板自动在力场集中添加 Dreiding,OPLS-AA,OPLS-Min,UFF 等的相关部分,或将 Lennard-Jones 项自动添加进力场中;
    • 余弦扭转势现在可以在编辑器里直接编辑;
    • 改进的作图工具可以作力场的各组分图形。
  •  【更新】力场计算的其他方面
    • Builder 中新增设置原子部分电荷工具;
    • 改进 Packmol 工具,可以以保持原子的部分电荷;
    • 使用 QEq 平衡离子电荷的方法;
    • 新增 OPLS 力场(碳酸盐,PF6,BF4),可以用于电池电解质的模拟。

离子动力学(包括聚合物模拟)更新

新版本实现了带压力控制的加速分子动力学 fbMC 方法来对罕见事件进行采样,研究慢速机理。新功能特别是与电池研究相关的功能还包括:通过分子动力学模拟获得振动光谱,以了解液体中的分子相互作用,如电池电解质。

  • 【新增】带压力控制的 Force-Bias Monte Carlo 方法
    • 带压力控制的加速分子动力学 fbMC 方法来对罕见事件进行采样,研究慢速机理,允许晶胞的大小和形状对材料的演化过程的内应力作出响应。
  • 【新增】Metropolis Monte Carlo 方法
    • 生成实际的、无缺陷的非晶/晶体界面结构;
    • GUI 可以直接设置 Metropolis Monte Carlo 模拟,将晶体和非晶部分的原子分别固定在各自的部分;
  • 【新增】从 MD 结果计算振动谱
    • 可以从液体、高于玻璃化温度的非晶材料的 MD 轨迹得到振动谱
      • 晶态材料还是推荐使用 Dielectric Tensor 分析工具;
    • 从偶极的变化中分析红外谱;
      • 使用 GUI 中的 MD Analyzer 作红外谱;
    • 可以用于理解诸如电池的电解液中的分子间相互作用和性能的恶化。
  • 【新增】支持 United Atoms 和粗粒化聚合物
    • 更新对 United Atoms 支持,即用一个“大原子”替换一组原子,可以大大节约相互作用的计算量,提高计算速度;
    • MolecularBead 类型用于产生粗粒化近似的模拟,与 UnitedAtom 相互独立;
    • 新增 United atoms 创建工具;
    • 使用 Dreiding-UA FF 创建聚合物模型。
  • 【更新】其他动力学计算
    • 有条件的支持从过去的 NEB 结果重启 NEB 计算;

性能提升

  • Poisson Solver 提升
    • 新的 Poisson Solver 可以使用非均匀的网格;
      • 对包含真空区域的模拟可以快 80%、使用内存减少 30%;
      • 适用于 DFT-LCAO 和 SemiEmpirical 计算工具。
    • 对于非周期边界条件的 Bulk 计算,现在可以采用 FFT2D 方法,速度可以提高 10 倍;
    • 带有栅极的器件体系计算消耗的内存将大大减少。
  • LCAO 计算性能提升
    • 以下计算速度大幅提升:
      • ProjectedDensityOfStates
      • FatBandstructure
      • EffectiveBandstructure
      • MagneticAnisotropyEnergy
  • DFT-GGA 提升LCAO 和 PlaneWave 的 XC 部分计算提升:

    ReaxFF计算性能提升

      • 计算速度提升;
      • 改进并行策略,大大减少并行内存消耗;
  • ReaxFF 力场提升
    • 速度相比于 R-2020.09 提升 2~3 倍,使用 MPI/OMP 混合并行可以获得最佳效率

License服务连接方式改进

  • 在 Linux 上引入“冻结”模式,可以在 QuantumATK 无法连接到 SCL 服务的时候临时冻结计算,而不是直接终止。待连接恢复或其他 SCL 服务可用时继续计算。

NanoLab图形界面更新

  • 【新增】建模工具
    • 全新的 Nanoparticle 建模工具,直接构建核-壳结构,设置半径、壳厚度等参数;
    • 新增结构匹配工具,可以在初始和最终结构之间匹配并冻结原子。
  • 【更新】建模工具
    • 分子建模工具:鼠标操作创建静态连键;
    • Packmol工具:可以直接选择元素周期表,创建无定形体系;
    • 移动工具:可以逐渐调整平移和旋转量;
    • 测量工具:可以显示原子折叠回 Bulk 晶胞中的最小距离;
    • 原子折叠工具改进;
    • Configuration Information 窗口:显示密度;
  • 【更新】脚本设置工具改进
    • 改进 LCAO 计算设置页面;
    • 可以在PlaneWave和LCAO中线性组合使用XC泛函;
    • 改进Slater-Koster参数的信息显示;
    • VASP Scipter MD设置功能增强。
  • 【更新】数据作图
    • 现在可以将一套作图设置应用于多个数据图;
    • 可以修改箭头的样式,更方便的旋转箭头等;
    • 单个数据点现在直接标识出来;
    • 可以导入并直接可视化文本格式数据
  •  【更新】分析工具改进
    • DOS Analyzer :增加从PDOS作图LDOS的(投影)工具;作能带边缘;
    • Local DOS Analyzer:作能带边缘;
    • PLDOS Analyzer:作能带边缘;
    • MD Analyzer
      • 作配位数分布图;
      • 多选元素和标签;
      • 使用选择的一组原子的质心计算均方位移(MSD)
      • 按照给定的分子选择结构中的原子
      • 复数能带导入新的2D作图工具
  • 【更新】Viewer
    • 自动调整连键关系。

平台更新

  • Python从3.6.2升级为3.8.6;

Sentaurus Materials Workbench更新

  • 【更新】缺陷模拟功能
    • 缺陷迁移 Study Object(仅脚本),为用户提供一个功能强大且简单的工具来建立各种材料中缺陷的个别迁移路径。与转换路径列表不同,缺陷迁移工具让用户更精细的控制所研究的迁移路径,同时自动步骤使这个过程非常直观和简单。
    • 弛豫后点缺陷对称性分析。可与实验对称性数据进行比较,深入了解缺陷中心的特性。也可用于缺陷迁移 Study Object,以较低的计算成本建立 Bulk 晶体中的迁移路径。(仅脚本)
    • 在 SMW 缺陷模块中应用约束,可以降低研究界面缺陷扩散的计算成本。(仅脚本)
  • 【更新】表面过程模拟沉积,刻蚀和溅射
    • 表面过程模拟(SPS)可以在原子尺度上理解过程如何演化和趋势,提供溅射、刻蚀、沉积等过程的物理信息。
    • 现在可以扫描一系列能量和入射角以得到最高产率。
    • 计算各种关键量,如溅射产率和粘附系数,用于 reactor scale 模型等。
    • 新的热化学分析工具,用于筛选过程中的关键反应,找出理想反应物,并优化反应条件(T,p)。
    • 支持的反应:气相反应,连续的刻蚀和沉积,自限的表面反应。