Device Studio（簡稱：DS）作為鴻之微的材料設(shè)計(jì)與仿真軟件，能夠進(jìn)行電子器件的結(jié)構(gòu)搭建與仿真；能夠進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)和納米器件的建模；能夠生成科研計(jì)算軟件 Nanodcal、Nanoskim、MOMAP、RESCU、DS-PAW、BDF、STEMS、TOPS、PODS、VASP、LAMMPS、QUANTUM ESPRESSO、Gaussian的輸入文件并進(jìn)行存儲和管理；可以根據(jù)用戶需求，將輸入文件傳遞給遠(yuǎn)程或本地的計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，并控制計(jì)算流程；可以將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化顯示和分析。

上一期的教程給大家介紹了Device Studio應(yīng)用實(shí)例之LAMMPS應(yīng)用實(shí)例的內(nèi)容，本期將介紹Device Studio應(yīng)用實(shí)例之QUANTUMESPRESSO應(yīng)用實(shí)例的內(nèi)容。

8.3.QUANTUMESPRESSO實(shí)例

QUANTUM ESPRESSO 是一款功能很強(qiáng)大的第一性原理計(jì)算開源軟件，ESPRESSO是opEn-Source Package的首字母縮寫，基于密度泛函理論、平面波及贗勢，可用于納米尺度下電子結(jié)構(gòu)計(jì)算。QUANTUM ESPRESSO 的核心平面波DFT模塊為PWscf（平面波自洽場），PWscf（平面波自洽場）使用平面波基集和偽勢能在密度泛函理論和密度泛函微擾理論范圍內(nèi)進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)計(jì)算的程序。目前，PWscf（平面波自洽場）模塊已經(jīng)集成在Device Studio中。

目前用戶可通過Device Studio進(jìn)行 QUANTUM ESPRESSO 以下性質(zhì)的計(jì)算：結(jié)構(gòu)馳豫、自洽、能帶、態(tài)密度、DFT+U、共線自旋、非共線自旋、自旋軌道耦合。

以Si晶體結(jié)構(gòu)的自洽、能帶及態(tài)密度計(jì)算為例來詳細(xì)描述 QUANTUMESPRESSO 在Device Studio中的應(yīng)用。

8.3.1.QUANTUM ESPRESSO計(jì)算流程

QUANTUM ESPRESSO在Device Studio中的計(jì)算流程如圖8.3-1所示。

圖8.3-1: QUANTUM ESPRESSO計(jì)算流程

8.3.2.QUANTUM ESPRESSO創(chuàng)建項(xiàng)目

雙擊Device Studio圖標(biāo)快捷方式，登錄并啟動Device Studio，在創(chuàng)建或打開項(xiàng)目界面中(圖5.1-1: 啟動軟件后選擇創(chuàng)建或打開項(xiàng)目的圖形界面)，根據(jù)界面提示選擇創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目（Create a new Project）或打開一個(gè)已經(jīng)存在的項(xiàng)目（Open an existing Project）的按鈕，選中之后點(diǎn)擊界面中的OK按鈕即可。若選擇創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目，用戶可根據(jù)需要給該項(xiàng)目命名，如本項(xiàng)目命名為QUANTUMESPRESSO，或采用軟件默認(rèn)項(xiàng)目名。

8.3.3.QUANTUM ESPRESSO導(dǎo)入結(jié)構(gòu)

在Device Studio中導(dǎo)入Si晶體結(jié)構(gòu)后的圖形界面如圖8.3-2。在Device Studio中導(dǎo)入Si晶體結(jié)構(gòu)的具體操作這里不做詳細(xì)說明，用戶可參照導(dǎo)入結(jié)構(gòu)節(jié)內(nèi)容。

圖8.3-2: 導(dǎo)入Si晶體結(jié)構(gòu)后的Device Studio圖形界面

8.3.4.QUANTUM ESPRESSO參數(shù)設(shè)置

在如圖8.3-2所示界面中選中Simulator→QUANTUM ESPRESSO→QUANTUM ESPRESSO，彈出界面如圖8.3-3（a）所示，用戶可根據(jù)所計(jì)算的結(jié)構(gòu)及計(jì)算需要在該界面中點(diǎn)擊不同的按鈕合理設(shè)置參數(shù)，之后點(diǎn)擊Generate files即可生成對應(yīng)計(jì)算的輸入文件。

如生成Si晶體結(jié)構(gòu)的自洽、能帶及態(tài)密度計(jì)算的輸入文件，根據(jù)計(jì)算需要設(shè)置參數(shù)，分別選中Basic settings、Bandstructure、DensityOfStates，設(shè)置參數(shù)分別如圖8.3-3（b）、8.3-3（c）、8.3-3（d）所示，設(shè)置好參數(shù)后點(diǎn)擊Generate files即可生成Si晶體結(jié)構(gòu)自洽、能帶及態(tài)密度計(jì)算的輸入文件scf.in、band.in、nscf.in、dos.in。

8.3.5.QUANTUM ESPRESSO輸入文件的生成

生成Si晶體結(jié)構(gòu)的自洽、能帶和態(tài)密度計(jì)算的輸入文件scf.in、band.in、nscf.in、dos.in的Device Studio界面如圖8.3-4所示。其中，scf.in為自洽計(jì)算輸入文件；band.in為能帶計(jì)算輸入文件；由于態(tài)密度計(jì)算之前需要先進(jìn)行一個(gè)非自洽計(jì)算，因此nscf.in和dos.in是態(tài)密度計(jì)算所需的輸入文件，計(jì)算順序?yàn)橄萵scf.in后dos.in。

圖8.3-4: 生成Si晶體結(jié)構(gòu)自洽、能帶、態(tài)密度計(jì)算輸入文件的Device Studio圖形界面

在如圖8.3-4所示界面中，選中scf.in→ 右擊 →Open with即可查看到Si晶體結(jié)構(gòu)自洽計(jì)算輸入文件如下所示。對于其他輸入文件，用戶可根據(jù)計(jì)算需要選擇是否打開查看，這里不做詳細(xì)說明。

8.3.6.QUANTUM ESPRESSO計(jì)算

在如圖8.3-4所示界面中，在Device Studio的Project Explorer區(qū)域選中scf.in→ 右擊 →Run，彈出Run界面如圖8.3-5所示，點(diǎn)擊界面中的Run按鈕則可進(jìn)行Si晶體結(jié)構(gòu)的自洽計(jì)算。以此類推，分別選中band.in、nscf.in、dos.in文件重復(fù)上述步驟進(jìn)行Si的能帶和態(tài)密度計(jì)算。

在計(jì)算過程中，用戶可在Job Manager區(qū)域觀察自洽、能帶和態(tài)密度計(jì)算的計(jì)算狀態(tài)，當(dāng)計(jì)算任務(wù)處于排隊(duì)中、計(jì)算中和計(jì)算完成時(shí)，Status分別為Queued、Running、Finished，計(jì)算完成后Device Studio圖形界面如圖8.3-6所示。其中，scf.out、bs.out和nscf.out分別為Si晶體結(jié)構(gòu)自洽、能帶和非自洽計(jì)算的日志文件；dos.out和Si.dos分別為Si態(tài)密度計(jì)算的日志文件和數(shù)據(jù)文件。

圖8.3-5: Run界面

圖8.3-6: Si晶體結(jié)構(gòu)自洽、能帶和態(tài)密度計(jì)算完成的Device Studio圖形界面

8.3.7.QUANTUM ESPRESSO計(jì)算結(jié)果的可視化分析

對于Si的能帶和態(tài)密度計(jì)算結(jié)果bs.out和Si.dos，Device Studio可將其進(jìn)行顯示供用戶進(jìn)行相關(guān)分析，即計(jì)算結(jié)果的可視化分析。如bs.out，在如圖8.3-6所示界面的Project Explorer區(qū)域選中bs.out→ 右擊 →Show View，則彈出Si的能帶可視化分析界面如圖8.3-7所示，用戶可通過滾動鼠標(biāo)中鍵將可視化分析結(jié)果放大或縮小。選中如圖8.3-7所示界面中Export快捷圖標(biāo)，彈出導(dǎo)出可視化分析結(jié)果的圖形界面，用戶可根據(jù)需要選擇圖片的保存路徑和保存格式，并給所保存的圖片命名。

在Device Studio的Project Explorer區(qū)域選中Si.dos→ 右擊 →Show View，則彈出Si的態(tài)密度可視化分析界面如圖8.3-8所示。

圖8.3-7: Si晶體能帶（bs.out）的可視化分析界面

圖8.3-8: Si晶體態(tài)密度（Si.dos）的可視化分析界面

審核編輯 ：李倩