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(chǔ)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(shì)，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(shì)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(dòng)Device Studio，在創(chuàng)建或打開項(xiàng)目界面中(圖5.1-1: 啟動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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