纳米
和器件的计算机模拟纳米材料和器件的计算机模拟
朱元慧
北京宏剑公司
Hongcam
公司简介
北京宏剑公司成立于 1996 年 3 月,总部位于加拿大温哥华 -
Canadian Hongcam International Trade Corp., 在中国设立公司
代理各种科学计算软件。
主要产品和业务
- 科学研究计算模拟软件
- 各大超级计算中心计算机时
- 科研辅助技术协作
- 科学计算软件开发
Hongcam
材料科学模拟软件
PHONONUSPEX
Hongcam
量子化学计算软件
ADF
MolProMolPro
Hongcam
药物设计软件
Hongcam
商业版分子模拟软件的特点
● 软件构成
● 计算引擎:实现模拟的关键部分
● 友好的图形化用户界面:方便建模、生成输入文件、作业管理
● 可检索数据库:有效节约模拟时间
● 性能稳定
● 计算引擎经过测试,计算结果稳定
● 支持多种计算机操作系统,并行效率高
● 向大型化、多功能化发展
● 提供使用维护和升级服务
● 包含更多的计算引擎、分析功能模块
● 整合图形界面和数据库
Hongcam
宏剑公司用户遍布全国 500 多
所大学,逾 2000 个研究组
Hongcam
ATK12.8ATK12.8
纳米材料和器件模拟软件纳米材料和器件模拟软件
北京宏剑公司
HongcamHongcam
提纲
ATK 软件的背景介绍
运行环境和使用许可
ATK 软件的平台构成
图形界面 VNL
第一原理计算模块 DFT
半经验计算模块 SE
ATK 软件的实现功能
应用领域
电子结构和输运性质计算
动力学模拟
ATK 软件的应用领域和实例
ATKDFT 在电子学中的应用举例
Hongcam
Atomistix ToolKit(ATK) 是由世界领先的计算科学软件公司 QuantumWise
公司开发的能模拟纳米材料电子结构和电子输运性质的模拟软件。
QuantumWise 成立于 2008 年 12 月,她的前身是 Atomistix(2003) 。
总部位于丹麦哥本哈根,设有美国、日本、新加坡等销售网点,和遍布
全球的代理商。北京宏剑公司是 QuantumWise 在中国的独家代理商。
ATK 自发布以来,累计世界上超过 150 个领先大学、国家实验室和电子
公司的研究组的用户,发
超过 600 余篇学术论文。
QuantumWise
Dr, Kurt Stokbro / Founder
QuantumWise CEO
Hongcam软件平台
ATK的安装环境
既能运行于独立工作站,也能运行于Client/Server计算机系统体系结构。
支持目前绝大多数主流配置的 x86和 x86_64处理器架构的计算机。
二进制安装文件,可以安装于所有操作系统中 (Windows, Linux)。
基于mpich2的MPI并行环境,成功测试于MVAPICH2(Infiniband),
MPICH2(Ethernet), Intel MPI等环境。
ATK的安装方法
从官方网站(www.quantumwise.com)自由下载安装文件。
试用许可:
Demo version:内置于安装文件,可试用14天
Trial version:由 sales@hongcam.com.cn免费提供
正式许可:Floating License.
ATK 的运行环境
Hongcam软件平台
采用浮动式授权( Floating License )管理模式,最大限度的使用网络内的
计算资源。在授权文件里,限制以下几个内容:
VNL: 同时打开图形界面的个数
Master: 最大可并发的作业数,
DFT/SE
Slave: 最大 MPI 并行进程数
=Master+Slave
LMX License of ATK
Hongcam
购买 2 个及 2 个以上 Master 的用户 ,
可以自由选择使用 DFT+SE 组合。
软件平台
ATK 软件平台 图形界面 VNL
New!
Hongcam软件平台
ATK 图形界面的背后 ...
编程接口
Python 环境
NanoLanguage 扩展 其他 Python扩展( numpy 、 matplotlib... )
DFT 计算器 SE 计算器 其他计算器Classical, Socorro, GPAW...
Hongcam软件平台
分子模拟分子模拟
量子力学
(第一原理)
量子力学
(第一原理)
牛顿力学
(分子力学)
牛顿力学
(分子力学)
从头算从头算 密度泛函密度泛函半经验方法半经验方法
Monte Carlo 方法Monte Carlo 方法分子动力学分子动力学电子态电子态 结构优化结构优化
能带、态密度
电子密度
光学性质
费米面
电子输运
最佳结构
分子构型
弹性力学
过渡态
晶格振动
声子模式
红外、拉曼
中子散射
分子动态
全局最优化
热力学性质
热力学性质
相结构
相平衡
理论原理理论原理理论原理理论原理
模拟方法模拟方法模拟方法模拟方法
应用:应用:
预测性质预测性质
应用:应用:
预测性质预测性质
ATK-SEATK-SE ATK-DFTATK-DFT
ATK-ATK-
ClassicalClassical
ATK 的理论方法
Hongcam
SocorroSocorro
计算模块
第一性原理密度泛函方法 ( 可处理 < 103 个原子 )
实现了赝势和原子轨道线性组合 相结合的现代电子结构计算方法。
内置了全部元素的赝势数据。
- 包括 HGH 赝势等 200 余种新的赝势,支持元素周期表中全部的元素,
以及大多数元素的半芯势。
实现了密度泛函理论中多种交换关联函数
- LDA: HL,PW,PZ,RPA,WIGNER,XA
- GGA: BLYP, BP86,BPW91,PBE,PBES,PW91,RPBE,XLYP
- meta-GGA : TB09 可以准确快速地计算半导体、绝缘体材料的带隙
- 新增交换相关势分析NEW!
支持自旋极化计算,及晶体、器件体系的非共线性自旋计算。NEW!
Hubbard+U 模型,更好地处理强关联体系,如磁性体系。
ATK-DFT
Hongcam计算模块
New in ATK11.8-DFT
Hongcam计算模块
ATK-SE 采用半经验的紧束缚近似方法计算多种研究体系,分子、周期体系
和器件结构的电子态性质。 哈密顿量的参数化使得ATK-SE 能够进行更接近实
验尺度装置的模拟。半经验模型中通过引入自旋分裂项自动考虑电子自旋。
DFTB 方法
安装包中包含了 30 余组 DFTB参数,如互斥的对势(可用于力和应力的
计算)。更多参数可从 dftb.org 免费下载,参数文件为SK 文件,并能直接添加
到ATK 中。
提供用户自定义Slater-Koster参数的接口。包含了多种 sp3 和 sp3d5s* 电
子轨道的 IV族和 III-V族等化合物模型参数,例如考虑最近邻作用的石墨
烯, sp3d5s* 作用的 III-V族纳米线等。
Extended Huckel 方法
实现了元素周期表中所有元素的超过 300 余种预设基组, Muller 和
Hoffmann 基组,以及Cerda参数。
ATK-SE
Hongcam计算模块
ATK-Classical
来自 ASAP 的最新计算引擎,应用 Brenner势和 EMT势场进行大尺度体系
的经典分子动力学模拟 (< 108 个原子 )
Brenner势场:使用键序作用势用来处理碳、碳氢化合物、硅、锗,
因此能够快速地优化大更大、更复杂的石墨烯、硅纳米线、有缺陷纳米管
等体系。
EMT势场:描述Ni 、 Cu 、 Ba 、 Ag 、 Pt 、 Au 等后过渡金属元素
的面心立方结构和化合物体系。实验上已验证了Mg 、 Zr 、 Ru 的计算结
果。
Hongcam计算模块
ATKSocorro
来自 Sandia 国家实验室的计算程序 Socorro
模块化,面向对象的密度泛函电子结构计算程序。
使用平面波基组和赝势,或投影算符缀加波函数 PAW 。
提供几种交换相关近似
- LDA : Perdew-Zunger
- GGA : PW91, PBE
可以弛豫原子位置、优化晶胞参数、执行分子动力学。
计算模块 Hongcam
ATK 的应用领域
孤立体系
孤立分子
分子线
表面吸附分子
周期性体系
金属、半导体、绝缘体固体
纳米线、单原子线
纳米管、石墨烯
掺杂、缺陷材料
器件体系
双电极器件
场效应晶体管
单电子晶体管
实现功能 Hongcam
How does ATK work?
实现功能 Hongcam
常规电子态结构
能带结构、态密度、投影态密度
电荷密度、轨道、电子局域函数
力和应变、压电张量
光学性质
电子输运性质
透射谱性质:透射系数、微分电
导、电流、透射本征值和本征通道(以及
在实空间投影)、透射路径
器件区态密度、电压降、 分子投
影态密度和 MPSH 分析
复能带结构
电流密度
静电势模型
动力学模拟
几何结构优化
分子动力学模拟
NEB 方法研究过渡态
实现功能
实现功能概述
Hongcam
I.常规电子态结构
电子态结构
体系总能
分子能谱
- 包含周期、器件体系的分子投影哈
密顿量 (MPSH)
能带结构、本征态
Bloch态
态密度 (DOS) 、 投影态密度 (PDOS)
电子局域函数 (ELF)
力和应变(周期、器件体系)
基于 Berry相位的压电张量计算NEW!
功函数
Mulliken 布居分析
光学性质
- 周期性体系,也可用于模拟溶液
Hongcam实现功能
基于 meta-GGA精确电子结构,结合 Kubo-Greenwood
, ATK 实
现了晶体光学性质计算
介电常数(实部、虚部)
吸收系数
折射系数
极化率
光学性质
实现功能 Hongcam
单晶 Si 的光学性质
II.非平衡态电子输运性质
透射本征态
电子透
射系数
TE(k)
电子透射系数谱
伏安曲线
电子输运性质分析
透射本征值、本征态
透射系数和透射谱
伏安曲线
Hongcam实现功能
II.非平衡态电子输运性质
电子输运性质分析
器件区态密度、局域态密度
透射路径和电流分布
器件区电压降
器件区电压降
电子透射路径
器件区 PDOS 和 MPSH 分析
Hongcam实现功能
电子输运性质分析
复能带结构
- 半封闭和封闭晶体中,传播模的色散关系和带隙中消散模的衰减系数
电流密度
- 描述
中某点的电流强弱和流动方向。
II.非平衡态电子输运性质
Hongcam实现功能
引入第三门电极模拟的静电势模型
多个方形区域
- 金属门电极
- 绝缘体,场效应晶体管
O N / O F F R a t i o ~ 1 0
O N / O F F R a t i o ~ 1 0 9
Hongcam
II.非平衡态电子输运性质
实现功能
引入第三门电极模拟的静电势模型
多个方形区域
新增圆柱形和球形的金属 / 介
电区域NEW!
孤立带电体系
-相干与非相干透射
- 单电子晶体管
Ghost atoms 技术实现了电子在
真空中远程离域作用,如模拟 STM
隧道电流。
Hongcam
II.非平衡态电子输运性质
支持带电电极 NEW!
实现功能
III. 动力学模拟
几何结构优化
同时优化原胞大小和内部原子坐标
可以一次完成双电极器件模型中心区的优化
-准牛顿最优算法和最速下降法
-偏压下的几何结构优化
分子动力学模拟
Velocity Verlet
NVT Berendsen
NEB 方法搜索过渡态
Hongcam实现功能
III. 动力学模拟
NEB 方法过渡态搜索
简单易用,用户只需设定初始和结束构型, ATK 可以自动生成连
接他们的每一帧的图象。同时支持 CINEB ,并且提供多个选项管理帧
和绘制结果。
计算化学反应的常用方法
-活性能 /反应路径
-扩散路径或扩散势垒
- 过渡态
支持计算中引入门电极NEW!
Hongcam实现功能
面向对象的图形界面 VNL
实现功能 Hongcam
建模工具-Builder
实现功能 Hongcam
建模工具-Builder
Hongcam实现功能
纳米线建模工具 NEW!
有效质量分析工具 NEW!
界面建模工具 NEW!
更细致地控制晶格
匹配
既可在界面处添加
层结构,也可在外部增
加层结构
自定义脚本
VNL与第三方代码的接口工具。
既可以是广泛使用的开源代码、
也可以是自己编写的源程序。
VNL 提供了图形化的用户界面,
为第三方代码产生相应的输入文件,
如构建结构、设置计算参数等。
已经完全实现了对 GPAW 和
VASP 的接口,在 AddOn 管理器中可
以增加更多第三方代码的接口,如 QE
等。
实现功能 Hongcam
纳米电子学
- 纳米线 (Al, Si)
-碳电子学 ( 纳米管、石墨烯 )
- 分子电子学 ( 分子开关、分子二极管 )
- 纳米尺度材料
自旋电子学
- MRAM(隧穿磁阻器件 )
-磁性纳米线
表面化学
-燃料电池
-催化反应等
大学教育辅助
- 材料学相关专业教学演示
- 直接生成论文、讲稿图表
应用领域
ATK 的应用领域
Hongcam
实例:硅纳米线的电子结构研究
应用领域 Hongcam
实例:碳纳米管电子开关
Qimin Yan, et al. Appl. Phys. Lett. 88, 173107 (2006)
应用领域 Hongcam
实例:碳纳米管传感器
J. Kong, et al. Science 287, 622 (2000)
E. S. Snow, et al. NanoLetters 5, 2414 (2005)
应用领域 Hongcam
实例:半导体中的杂质态
Hongcam应用领域
Fe-MgO-Fe隧穿磁阻 (TMR)
理论值 : TMR = 100
(Butler, et al., Phys. Rev. B, 63, 05441)
实验值 : TMR = 1.8
(Yuasa et al., Nat. Mater. 3, 868)
ATK 模拟结果 Fe-MgO-Fe Fe-FeOMgO-Fe
G↑↑ 14.3 0.201
G↑↓ 0.104 0.013
TMR 136 14.4
实例:磁性隧道结的巨磁阻效应
应用领域 Hongcam
实例:铜表面上碳纳米管阵列的电子输运研究
Physical Review B 77, 193406
应用领域 Hongcam
结合光学性质计算方法和能带结构计算方法( meta-GGA 和紧束缚
模型),使得 ATK12.8 成为研究半导体新材料的有力工具。
Hongcam应用领域
谢谢大家!
Hongcam
朱元慧 北京宏剑公司
电话 : (86)-010-51261900-858 ,传真 : (86)-010-82610358
邮箱: zyh@hongcam.com.cn, support@hongcam.com.cn
地址:北京市海淀区苏州街 18号长远天地大厦 A2座 3A09 室
相了解更多关于我们公司软件的信息吗?请登陆我们公司网站:
http://www.hongcam.com.cn
Slide 1
Slide 2
Slide 3
Slide 4
Slide 5
Slide 6
Slide 7
Slide 8
Slide 9
Slide 10
Slide 11
Slide 12
Slide 13
Slide 14
Slide 15
Slide 16
Slide 17
Slide 18
Slide 19
Slide 20
Slide 21
Slide 22
Slide 23
Slide 24
Slide 25
Slide 26
Slide 27
Slide 28
Slide 29
Slide 30
Slide 31
Slide 32
Slide 33
Slide 34
Slide 35
Slide 36
Slide 37
Slide 38
Slide 39
Slide 40
Slide 41
Slide 42
Slide 43
Slide 44
Slide 45