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--- atk:如何弛豫器件体系的几何结构 [2016/09/19 15:49] – [BRR方法] dong.dong
+++ atk:如何弛豫器件体系的几何结构 [2018/03/20 18:40] (当前版本) – liu.jun
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 ====== 如何弛豫器件体系的几何结构 ======
-在这篇教程中，你会学习到如何利用“刚性”（rigid body）结构限制和简单的优化步骤，来快速、可靠的弛豫一个器件结构的内坐标。
+在使用QuantumATK进行器件（Device）模型的计算时，如何进行可靠的进行结构优化是常常困扰用户，尤其是初学者的重要问题。在这篇教程中，你会学习到如何利用“刚性”（rigid body）结构限制和简单的优化步骤，来快速、可靠的弛豫一个器件结构的内坐标。
+本教程中针对的是一个 A、B 方向上为周期性结构的 “三维” 器件，尤其值得注意的是两端电极是不同种材料构成，这导致了在构建界面时的晶格匹配和由于 A、B 方向应力导致的 C 方向的伸缩，类似的体系还包括：
+  * 磁性隧道结一类的多层结构；
+  * 同种材料的不同晶向构成电极。
+两端电极相同时，不会存在晶格匹配和应力问题，但这里介绍的优化方法也同样适用。
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+=== 提示 ===
+**本教程使用特定版本的QuantumATK创建，因此涉及的截图和脚本参数可能与您实际使用的版本略有区别，请在学习时务必注意。**
+</WRAP>
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   - 第二步：优化中心区域。中心区域的最优长度通常是未知的。对于周期性结构，还需要使应力最小化。但是，应力场对于器件结构来说是不唯一确定的，因此需要使用其他的方法。
-在第二步中，我们必须在确保电极扩展层内坐标不变的前提下最小化器件总能量。在ATK里至少有两种方法实现。
+在第二步中，我们必须在确保电极扩展层内坐标不变的前提下最小化器件总能量。在QuantumATK里至少有两种方法实现。
 ==== BRR方法 ====
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 ==== 1D最小化 ====
-更有力的方法则必须使器件处于能量最小化状态（相对于内坐标和中心区域长度），即在改变中心区域长度的同时进行整个双电极器件的计算。这是一个一维原子链最小化的问题，在每一步都针对原子位置作弛豫。因此，我们称之为1DMIN。为此，我们发展了用ATK进行这种最小化的方案，使之尽可能有效地处理这个问题，但是这种方法的计算量远大于BRR方法。因此，我们建议在对中心区域使用BRR弛豫之后，再进行1DMIN计算。
+更“暴力”的方法是将器件体系能量对内坐标和中心区域长度优化至最小，即在改变中心区域长度的同时进行整个双电极器件的计算。这是一个一维原子链最小化的问题，在每一步都针对原子位置作弛豫。因此，我们称之为 1DMIN。为此，我们发展了用 QuantumATK 进行这种最小化的方案，使之尽可能有效地处理这个问题。但是这种方法的计算量远大于 BRR 方法，因此我们建议在对中心区域使用 BRR 弛豫之后，再进行 1DMIN 计算。
-这篇教程介绍了利用BRR和1DMIN方法对电极和中心区域的弛豫。教程中的实例是用经典力场方法对银-金接触表面进行弛豫。利用经典势可以使计算更快捷，同样的方法可以适用于DFT计算。通常，我们会建议利用DFT计算来检验ATK-Classical计算的结果。
+这篇教程介绍了利用 BRR 和 1DMIN 方法对电极和中心区域的弛豫。教程中的实例是用经典力场方法对银-金接触表面进行弛豫。利用经典势可以使计算更快捷，同样的方法可以适用于 DFT 计算。通常，我们会建议利用 DFT 计算来检验 ATK-Classical 计算的结果。
 <WRAP center round info 100%>
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 ===== 准备工作 =====
-生成一个“device_relaxation”的新项目。我们从一个未弛豫的双电极结构开始。其结构可以参照此处教程[[http://docs.quantumwise.com/tutorials/ag_au_interface.html#ag-au-interface| Building an interface between Ag(100) and Au(111)]]，或者从此处下载结构脚本[[|]]。
+生成一个“device_relaxation”的新项目。我们从一个未弛豫的双电极结构开始。其结构可以参照此处【[[atk:构建ag_100_和au_111_界面模型|教程：构建Ag(100)和Au(111)界面模型]]】或者从此处下载结构脚本{{ :atk:ag_au_interface.zip |}}。
 在项目中保存py文件，并将其拖拽至{{:atk:builder.png?25|}}**Builder**中。
-两电极结构如下图所示。它由左电极Ag(100)、中心区域、右电极Au(111)构成。利用{{:atk:splitdevice01.png?25|}}插件，将器件分割成左电极、右电极和中心区域。
+两电极结构如下图所示。它由左电极 Ag(100)、中心区域、右电极 Au(111) 构成。利用 {{:atk:splitdevice01.png?25|}} 插件，将器件分割成左电极、右电极和中心区域。
 {{ :atk:screenshot11.png?500 |}}
 ===== 电极弛豫 =====
-电极的几何结构是由Ag(100)和Au(111)构成（参考[[http://docs.quantumwise.com/tutorials/ag_au_interface.html#ag-au-interface |Building an interface between Ag(100) and Au(111)]]）。其左右晶胞的结构采用了实验上的几何数据。我们假设实验结构也是理论上能量最低的结构。（实际理论研究中需要弛豫晶胞以验证这一点）
+电极的几何结构是由 Ag(100) 和 Au(111) 构成（参考【[[atk:构建ag_100_和au_111_界面模型|教程：构建Ag(100)和Au(111)界面模型]]】）其左右晶胞的结构采用了实验上的几何数据。我们假设实验结构也是理论上能量最低的结构。（实际研究中需要弛豫晶胞以验证这一点）
-在接触器件构建中，我们选择Strain second surface（对第二个表面施加应力）处理表面晶胞。这意味着在形成界面的过程中，Ag(100)结构将会保持实验上的结构，而Au(111)表面将在x、y方向上将被拉伸。当晶胞在x、y方向上拉伸之后，它将按照材料的泊松比在z方向上弛豫。
+在接触器件模型构建中，我们选择Strain second surface（对第二个表面施加应力）处理表面晶胞。这意味着在形成界面的过程中，Ag(100) 结构将会保持实验上的结构，而 Au(111) 表面将在 x、y 方向上将被拉伸。当晶胞在 x、y 方向上拉伸之后，它将按照材料的泊松比在 z 方向上弛豫。
-接下来，我们将把这种弛豫应用于Au(111)晶胞，方法是在保持x、y方向固定的情况下对z方向上的应力进行弛豫。获得的Au(111)结构将会应用到中心区域的金原子中。
+接下来，我们将把这种弛豫应用于 Au(111) 晶胞，方法是在保持 x、y 方向固定的情况下对 z 方向上的应力进行弛豫。获得的 Au(111) 结构将会同样应用到中心区域的金原子中。
-打开**Builder**并重命名右电极结构为Au111，双击激活结构，并发送至{{:atk:script_generator.png?25|}}**Scripter**，添加：
+打开 **Builder** 并重命名右电极结构为 Au111，双击激活结构，并发送至 {{:atk:script_generator.png?25|}} **Scripter**，添加：
-{{:atk:calculator.png?25 |}}**New Calculator**
+  * {{:atk:calculator.png?25 |}}**New Calculator**
-{{:atk:optimization.png?25 |}}**OptimizeGeometry**
+  * {{:atk:optimization.png?25 |}}**OptimizeGeometry**
 {{ :atk:screenshot21.png?500 |}}
-打开**New Calculator**，选择ATK-Classical计算方法，并选择“EAM_Zhou_2004”势。点击OK。
+打开 **New Calculator**，选择 ATK-Classical 计算方法，并选择 “EAM_Zhou_2004” 势。点击 OK。
-下一步，点开** OptimizeGeometry **：
+下一步，点开 ** OptimizeGeometry **：
-  - 设置force tolerance为0.01
+  - 设置 force tolerance 为 0.01
-  - 设置stress tolerance为0.001
+  - 设置 stress tolerance 为 0.001
-  - 取消z方向的晶胞固定（Constrain cell）
+  - 取消 z 方向的晶胞固定（Constrain cell）
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-发送脚本至{{:atk:job_manager.png?25|}}** Job Manager **并进行计算，计算耗时不到 1分钟，当执行完之后，检查log文件。
+发送脚本至 {{:atk:job_manager.png?25|}}** Job Manager ** 并进行计算，计算耗时不到 1分钟，当执行完之后，检查 log 文件。
-我们将会在** LabFloor**看到一个“Au111.nc”的nc文件，它包含了弛豫前后的两个结构的结构数据。选中两个结构，并拖拽至{{:atk:viewer.png?25|}}**Viewer**。在**Viewer**中，鼠标选中晶胞，我们会发现，弛豫前的结构，C方向矢量为7.064 Å ，弛豫后为7.011 Å。这个结果同样可以在“Au111.log”文件中获得。
+我们将会在 ** LabFloor** 看到一个 “Au111.nc” 的 nc 文件，它包含了弛豫前后的两个结构的结构数据。选中两个结构，并拖拽至{{:atk:viewer.png?25|}} **Viewer**。在 **Viewer** 中，鼠标选中晶胞，我们会发现，弛豫前的结构，C 方向矢量为 7.064 Å ，弛豫后为7.011 Å。这个结果同样可以在 “Au111.log” 文件中获得。
-弛豫后的结果压缩了0.75%。为了应用到中心区域，打开**Builder**，双击打开中心区域结构。
+弛豫后的结果压缩了 0.75%。为了应用到中心区域，打开 **Builder**，双击打开中心区域结构。
-  - 在stash面板重命名为“central”
+  - 在 stash 面板重命名为 “central”
   - 鼠标选中所有金原子
-  - 打开右侧Bulk Tools ‣ Stretch Cell插件
+  - 打开右侧 Bulk Tools ‣ Stretch Cell 插件
-  - 在C轴中输入0.9925
+  - 在 C 轴中输入 0.9925
-  - 使用“Selected atoms are” stretched.
+  - 使用 “Selected atoms are” stretched.
-  - 点击Apply。
+  - 点击 Apply。
 {{ :atk:screenshot41.png?500 |}}
 <WRAP center round info 100%>
-**注意**
+=== 注意 ===
-这个应变很小，肉眼很难察觉。但是可以通过打开“Lattice Parameters”插件，点击{{:atk:undo_edit.png?25|}}和{{:atk:redo_edit.png?25|}}对比C方向矢量的改变。同样，也可以通过观察Coordinate List。
+这个应变很小，肉眼很难察觉。但是可以通过打开“Lattice Parameters”插件，点击 {{:atk:undo_edit.png?25|}} 和 {{:atk:redo_edit.png?25|}} 对比 C 方向矢量的改变。或者也可以观察 Coordinate List。
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 ===== 中心区域弛豫 =====
-现在，我们仅需要进行中心器件弛豫。当进行几何优化时，我们希望电极扩展层可以自由移动，因此我们需要在两端添加真空层：
+现在我们就可以进行中心区域弛豫了。当进行几何优化时，我们希望电极扩展层可以**自由移动**，因此我们需要在两端添加真空层：
-鼠标点击绘制窗口的背景区域，确保没有原子被选中。点开右侧的Bulk Tools ‣ Stretch Cell ，利用C-vector slider，延长晶胞30%的长度，或者简单将因子设置为1.3。然后点击Apply应用，晶胞就会相应的增大。
+鼠标点击绘制窗口的背景区域，确保没有原子被选中。点开右侧的 Bulk Tools ‣ Stretch Cell ，利用 C-vector slider，延长晶胞30%的长度，或者简单将因子设置为 1.3。然后点击 Apply 应用，晶胞就会相应的增大。
-点开Coordinate Tools ‣ Center，取消勾选A、B，点击Apply，可将中间区域制动设置到中心。
+点开 Coordinate Tools ‣ Center，取消勾选 A、B，点击 Apply，可将中间区域制动设置到中心。
 {{ :atk:screenshot51.png?500 |}}
-我们要固定电极扩展层的原子，但为了在后面便于使用“Device from bulk”工具添加电极时确定电极的长度，我们需要比常规的电极扩展层多固定一层。为此，选中最外层的5层银原子，点开Selection Tools ‣ Tags。在“Click here to write a new tag...”输入框中，输入Left。
+我们要固定电极扩展层的原子，但为了在后面便于使用 “Device from bulk” 工具添加电极时自动确定电极的长度，我们需要比常规的电极扩展层多固定一层。为此，选中最外层的 5 层银原子，点开 Selection Tools ‣ Tags。在 “Click here to write a new tag...” 输入框中，输入Left 作为这部分原子的标签。
-接下来，同样选择最外层的4个金原子， 标记为Right.
+接下来，同样选择最外层的 4 个金原子， 设置标签为 Right。
 {{ :atk:screenshot61.png?500 |}}
-发送结构至**Script Generator**，设置如下参数：
+发送结构至 **Script Generator**，设置如下参数：
-  - 添加**New Calculator**和**OptimizeGeometry**项目。
+  - 添加 **New Calculator** 和 **OptimizeGeometry** 项目。
-  - 选择ATK-Classical方法，和EAM_Zhou_2004势做计算。
+  - 选择 ATK-Classical 方法，和 EAM_Zhou_2004 势做计算。
   - 在几何优化中设置如下参数：
-  - 设置force tolerance为0.01 eV/Å.
+  - 设置 force tolerance 为 0.01 eV/Å.
-  - 点击Save trajectory，设置文件名为central.nc。
+  - 点击 Save trajectory，设置文件名为 central.nc。
-  - 单击Add Constraints，对两电极扩展层的设置“Rigid”结构限制.
+  - 单击 Add Constraints，对两电极扩展层的设置 “Rigid” 结构限制.
-  - 检查Left和Right两个标签要标记的原子是否正确。在两个标签的下拉菜单中选择“Rigid”。
+  - 检查 Left 和 Right 两个标签要标记的原子是否正确。在两个标签的下拉菜单中选择 “Rigid”。
-  - 点击OK，并返回**Scripter**。
+  - 点击 OK，并返回 **Scripter**。
 {{ :atk:screenshot71.png?500 |}}
 <WRAP center round info 100%>
-**注意**
+=== 注意 ===
-可以对一个标记的区域选择“Fixed”，另一个选择“Rigid”，这样可以减少BFGS弛豫步骤，从而节省计算时间。
+可以对一个标记的区域选择 “Fixed”，另一个选择 “Rigid”，这样可以减少 BFGS 弛豫步骤，从而节省计算时间。
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-发送脚本至**Job Manager**，并运行计算。计算非常快，一旦计算结束，我们将会看到central.nc文件出现在**LabFloor**上。
+发送脚本至 **Job Manager**，并运行计算。计算非常快，一旦计算结束，我们将会看到 central.nc 文件出现在 **LabFloor** 上。
-可以从**Viewer**中看到优化的轨迹动画。
+可以从 **Viewer** 中看到优化的轨迹动画。
 {{ :atk:screenshot8.gif?500 |}}
-优化后的中心区域结构保存在central.nc文件中的gID0002中。这是我们对中心区域结构的最初猜测。将其拖拽至**Builder**中。
+优化后的中心区域结构保存在 central.nc 文件中的 gID0002 中。这是我们对中心区域结构的最初猜测。将其拖拽至 **Builder** 中。
-打开Device Tools ‣ Device From Bulk，将bulk结构转换为器件。保留默认参数即可。
+打开 Device Tools ‣ Device From Bulk，将 bulk 结构转换为器件。保留默认参数即可。
-结构如下图所示，右键或F2重命名为“device”。
+结构如下图所示，右键或 F2 重命名为 “device”。
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-===== 两电极器件的1DMIN 优化 =====
+===== 两电极器件的 1DMIN 优化 =====
-我们现在可以搜索器件全局最小能量结构了。通过Save as,将器件结构保存为NetCDF文件，并命名为“device_in.nc”。
+我们现在可以搜索器件全局最小能量结构了。通过 Save as,将器件结构保存为 NetCDF 文件，并命名为 “device_in.nc”。
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-现在我们将用SciPy minimization程序搜索可以使能量最小化的中心区域长度。我们将从device_in.nc的器件结构开始。
+现在我们将用 SciPy minimization 程序搜索可以使能量最小化的中心区域长度。我们将从 device_in.nc 的器件结构开始。
-我们需要两个脚本：[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/device4.py#ag-au-interface| device_relaxation/device.py]]和[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/optimize1.py#ag-au-interface| device_relaxation/optimize.py]]。将两个脚本和device_in.nc放在同一个目录下。第一个脚本是读取结构并设置计算参数，第二个脚本包含了计算所需的类和函数的定义。
+我们需要两个脚本：{{ :atk:device.zip |}}和{{ :atk:optimize.zip |}}。将两个脚本和 device_in.nc 放在同一个目录下。第一个脚本是读取结构并设置计算参数，第二个脚本包含了计算所需的类和函数的定义。
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-**注意**
+=== 注意 ===
-利用device.py 计算其他体系，需要修改脚本，设定相应的势以便能够处理新体系。
+利用 device.py 计算其他体系，需要修改脚本，设定相应的势以便能够处理新体系。
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-两个脚本都可以在VNL的Project Files中看到。拖拽device.py至Jobs，并运行脚本。
+两个脚本都可以在 VNL 的 Project Files 中看到。拖拽 device.py 至 Jobs，并运行脚本。
-一旦计算完成，将会出现一个数据图窗口。蓝色点是弛豫结构的总能量。晶胞的最初长度是28.51 Å，其他的蓝点是算法模拟出来的结果。其中位于28.58 Å的红色点为中心区域能量最低的点。优化程序只简单地绘制出所示的势能曲线，并找到它的最小值。
+一旦计算完成，将会出现一个数据图窗口。蓝色点是弛豫结构的总能量。晶胞的最初长度是 28.51 Å，其他的蓝点是算法模拟出来的结果。其中位于28.58 Å 的红色点为中心区域能量最低的点。优化程序只简单地绘制出所示的势能曲线，并找到它的最小值。
 {{ :atk:screenshot111.png?500 |}}
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 手动关闭弹出的窗口可以结束脚本运行。
-弛豫器件结构保存在输出文件“device_out.nc”，并包含总能量。红色点处的结构（最终找到的能连个最低点）是最后一个器件结构（id最大的那一个）。
+弛豫器件结构保存在输出文件 “device_out.nc”，并包含总能量。红色点处的结构（最终找到的能连个最低点）是最后一个器件结构（id 最大的那一个）。
-在**Viewer**中，能量最小点的结构如图所示：
+在 **Viewer** 中，能量最小点的结构如图所示：
 {{ :atk:screenshot12.png?500 |}}
-这个例子里，1DMIN弛豫后结构与BRR弛豫的结构相比较，变化十分细微。这可以看出，通常情况BRR方法的结果已经足够精确，并不需要再进行1DMIN的步骤。1DMIN仅用于极其精确的计算。
+这个例子里，1DMIN 弛豫后结构与 BRR 弛豫的结构相比较，变化十分细微。这说明通常情况 BRR 方法的结果已经足够精确，并不需要再进行 1DMIN 的步骤。1DMIN 仅用于极其精确的计算。
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 ===== 信息图 =====
-下载pdf,[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/infographics_device_relaxation.pdf#ag-au-interface| Infographics]]。点击顶部按钮查看图片。
+下载pdf版的[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/infographics_device_relaxation.pdf#ag-au-interface| Infographics]]。点击顶部按钮查看图片。
 ===== 参考 =====
-  * 英文教程：[[http://docs.quantumwise.com/tutorials/device_relaxation.html|英文]]。
+  * 英文原文：[[http://docs.quantumwise.com/tutorials/device_relaxation.html]]。
+  * 中文翻译：闫强。
-本文翻译：闫强

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