QuantumATK U-2022.12 新版发布

MTP 机器学习力场更新

新版本继续发展 MTP 机器学习力场，可以为大体系尺寸、大时间尺度提供从头计算精度。与 DFT相比，MTP 的模拟时间缩短了 1000-10000 倍，训练完善的力场则可以做到没有任何实际的精度损失。这使得能够使用分子动力学生成新型晶体和非晶材料、合金、界面和多层堆叠的真实复杂结构，模拟热和力学性能，以及表面沉积/蚀刻和其他动力学过程。

QuantumATK 提供了一系列预先训练的力场，可以用于块体材料和界面。此外，用户可以使用内置的自动化框架生成训练数据，并为新材料定制 MTP 力场。

核心 MTP 框架更新

• 使用更灵活的力场参数设计，显著提高了多元素体系的精度
• 新增主动学习的外推分级算法 Query-by-Committee
• MTP 训练流程现在在图形界面上新的 Workflow Builder 中可快速轻松地进行设置
• Nanolab 内置 MTP 分析工具，用于绘制和分析 MTP 数据与参考 DFT 能量、力和应力之间的相关性
• 训练方案更新（生成合金材料的训练数据、界面训练方案的改进）
• MTP训练功能的改进（自动扫描非线性系数、能量权重、力和应力数据的初始猜测，指定目标样本和结构大小）
• CrystalPropertyValidation 分析工具，自动计算、比较和绘制 MTP 和 DFT 或任何其他计算工具组合之间的各种材料特性（例如，晶格常数、弹性常数、声子、状态方程）。

预先训练的力场

• 新增预先训练力场（如MgO、FeCo、W、Ta 和 FeCo 合金等的界面、钴硅化合物与界面、InGaZnO、GeSbTe
• 重新训练的 HKMG 堆叠和界面的MTP力场，添加 Ru、Sc 和他们与 HfO₂ 的界面
• 重新训练的 TiNAlO 力场，提高了精度

图形界面的多层堆叠生成工具

• 新 MTJ 建模工具，用于构建 MRAM 应用的多层堆叠结构
• HKMG 堆叠建模工具改进，改进了晶体界面适配和优化的算法，添加栅极（Sc和Ru）以及氧化物结构
• HKMG 和 MRAM 建模教程

使用 DFT 研究缺陷辅助的载流子复合

• 支持 Shockley Read Hall（SRH）捕获率的计算。SRH 计算可以使用 LCAO 和 PlaneWave 计算工具，支持 LDA/GGA 泛函和杂化泛函 HSE。
• 这种复合可能主导在界面附近的捕获行为，并有助于研究和更好地理解光电子器件中的效率限制因素、器件中的自发热和不稳定性（氧化物复合）以及其他应用。
• 可以计算色心的发光线形状，通过模拟光发射实验用于缺陷表征。
• 专用SRH分析工具可方便地执行高级分析并深入研究结果，例如，查看单个电子-声子耦合贡献。

DFT 模拟均匀电场

• 新增了在周期性体系计算中应用电场的功能（旧版使用脚本设置，新版在图形界面即可方便设置 ElectricFieldConstraint）
• 模型通过 Berry 相位极化理论可以包含场控的电热焓、力和应力
• 支持 LCAO 和 PlaneWave 计算
• 适用于绝缘体和半导体
• 沿轨迹结构变化时，电荷可以从不变调整为随时更新
• 计算极化和 Born 有效电荷时性能提升，也可以使用新的并行机制进一步提高效率
• 此功能可用于模拟 OxRRAM（氧化物电阻随机存取存储器）忆阻器件中的铁电材料和电场相关缺陷动力学，也可用于其他几何优化、分子动力学和NEB计算。

原子级的自旋动力学

• 将原子级磁性模拟代码 Vampire 集成，从而能够研究用于 MRAM 技术的磁隧道结中的自旋动力学和稳定性
• 这个工作流将多种模拟方法完美结合：
  • 使用 DFT 结果作为自旋动力学计算的输入
  • 使用 MTP 力场快速得到精确的界面结构
  • Vampire 可以计算真实体系（5000+原子）的各种性质
• 在 NanoLab 图形用户界面中设置 DFT 到 Vampire 的计算流程，可以自动计算输入所需参数，如海森堡交换常熟和磁各向异性能
• 直接从 QuantumATK 中调用 Vampire 并开始计算
• 可视化分析居里温度、磁滞回线、各向异性能等
• 用户可以研究 STT-MRAM、SOT-MRAM，开关时间、开关模式（相干、畴壁等）、温度依赖性、稳定性系数（几何形状和温度相关性）、Skyrmions、2D 磁性材料等（详见 Vampire 网站）

COSMO 和 COSMO-RS：溶剂化与溶液性质

此版本的一个主要新功能是 COSMO（COinductor like Screening MOdel）和 COSMO-RS，用于研究溶剂化效应和溶液性质。COSMO 可用于分子、块体、Slab 表面或 Surface 表面模型的 LCAO-DFT 计算，从而实现广泛的应用。QuantumATK 还支持包括 COSMO 的解析力计算，从而实现有效的几何结构优化和过渡态搜索，因此可以用于研究溶剂介电屏蔽起重要作用的化学反应。

• 可以将溶剂作为理想导体或作为对应于特定溶剂的电介质来进行计算
• 在新的 Workflow Builder 中自动设置 COSMO 计算，并作为选项添加到分子和块体构型的 LCAO-DFT 计算和 Surface 表面构型的 Device LCAO-DFT 计算中
• 用线性回归模型估计非静电效应，如色散和空化能
• 可以自动计算溶剂化自由能，包括非静电和气相项
• COSMO 溶剂表面可以在 Viewer 中可视化，显示溶剂腔形状和整个表面的电荷极化

COSMO-RS 是 COSMO 模型的扩展，使用 COSMO 计算中产生的表面电荷来计算分子的化学势。这可以用来计算分子材料的热力学性质，例如：溶解度、蒸汽压、混合能量、分配系数等。图形界面上的 COSMO-RS的功能包括：

• 便捷设置不同性质的计算，包括研究温度或不同溶剂组成的影响
• 结果以图形和文本格式显示
• 可以显示分子的 simga profile 和电势
• 该分析工具包括一个可添加到 COSMO-RS 计算中的约 1500 个分子的数据库
• 新的分子可以通过简单的拖放界面添加到数据库中。可以在 Workflow Builder 中自动设置每个分子的DFT 计算
• COSMO-RS 方法的参数可在 COSMO-RS-Analyzer 中编辑。可以选择一些预定义的参数集，也可以使用用户定义的参数集，也可以保存参数集以供以后使用

酸碱平衡也可以用 COSMO-RS 计算，包括使用 DFT 计算氢解离能和使用 COSMO-RS 计算每种物质的溶解度，以更准确地估计 pKa。COSMO-RS 在 Python API 中也可用，允许编写更复杂的计算脚本。分子数据库也可以在脚本中访问。

R2SCAN 交换关联泛函

• 最新的 r²SCAN metaGGA 泛函（J. W. Furness et al., J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 19, 8208）。
• r²SCAN 保持了 rSCAN 的数值精度，但仍然满足交换关联势的严格限制。

PAW 势用于 LCAO 计算

• LCAO-DFT 计算现在也可以使用 PAW 势（之前已经用于 PlaneWave DFT 计算）。PAW 为许多模拟（尤其是镧系元素）提供了更好精度，同时仍具有 LCAO 优于平面波基组方法的性能优势。例如，具有 1024 个原子的 Si 超胞可以在大约 10 分钟内完成计算。
• 注意，在 U-2022.12 版本中，并非所有分析选项都可用于 LCAO-PAW，支持仅限于块体和分子构型，只能使用 GGA 泛函。
• 支持的性质计算：能量、力、晶格张力、能带、有效质量、局域能带结构、投影能带、投影态密度、有效能带、所有实空间三维网格性质（电子密度、电势等）、布洛赫态和本征态、光谱、动态矩阵和声子性质（能带、态密度、振动模式）、结构优化、NEB、分子动力学等

全新的计算流程设置工具

这个版本用全新的 Workflow Builder 取代了脚本生成器，作为使用 QuantumATK 设置 Python 计算脚本的推荐方法。Workflow Builder 是一个用于设置复杂计算流程的工具，它可能涉及多个单独的模拟，这些模拟稍后将用作各种后处理计算的输入。然而，该工具还为简单的模拟任务提供了许多可用性改进。传统的脚本生成器仍然可以通过“工具”菜单打开，并且在“SendTo”中仍然可用。

• 在编辑流程块的时候，非默认数值清楚提示，并为每个选项设置了重置默认的按钮
• 所有流程块都可以保存在 Blocks 中，以备以后在其他流程中使用
• 一组流程块还可以编制成组，便于复杂流程的保存和重复使用
• Load Block 允许读入所有的 QuantumATK 对象并直接用于流程中，例如在已有的结果上进行计算
• 导出和保存脚本时，允许设置文件名和object id。

分子动力学和力场更新

• 表面处理过程模拟
  • 自适应恒温器高度即使对于厚层生长也能实现有效的基底加热
• 聚合物模拟
  • 将珠子模型定义应用于全原子结构，以自动将其转换为粗粒化模型
• 离子动力学
  • 最先进的 NVT 恒温器（Bussi-Donadio-Parrinello stochastic velocity rescaling），兼具 Berendsen 和 Nose-Hoover 恒温器优势）
  • 增加保存原始（未受限）力和张力到轨迹的选项，用于 MTP 训练
• 力场
  • 新增最先进电荷平衡化方法 D4-EEQ，使用 Grimme-D4 方案
  • 新增用玻璃组分的多种力场
  • 更多 ReaxFF 反应力场参数集
  • 用于 AlGaN 的 Stillinger-Weber 参数
  • 新增 core-shell 势用于 InSnO（ITO）
  • CPU 和 GPU 版本的微小更新

其他图形界面更新

• 更好的支持虚拟机上的图形显示
• Data、Builder、WorkFlow Builder、Viewer 和 Database 现在集成在主窗口中，不再单独弹窗，Editor和 Custom Scripter 仍然单独窗口显示
• 增加从轨迹提取自定义物理量并用于 Viewer 中的原子染色
• 界面建模工具更新

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要详细了解QuantumATK，请参考：

• 功能列表
• QuantumATK主页

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