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。

本期將介紹Device Studio應(yīng)用實(shí)例之TOPS應(yīng)用實(shí)例上半部分的內(nèi)容。

8.9.TOPS實(shí)例

Topological Polymeric Self-Consistent Field Theory是一款基于自洽平均場理論（Self-Consistent Field Theory）的嵌段共聚物自組裝相行為計(jì)算與模擬軟件，簡稱TOPS。嵌段共聚物作為一種特殊的高分子，因其獨(dú)特的分相機(jī)制，適宜的 分相尺度（10-100 nm）和在材料、半導(dǎo)體納米刻蝕領(lǐng)域內(nèi)的潛在應(yīng)用受到人們的廣泛關(guān)注和研究。但由于嵌段共聚物自組裝體系參數(shù)空 間巨大且形成的自由能曲面非常復(fù)雜，其熱力學(xué)平衡態(tài)結(jié)構(gòu)的預(yù)測對于理論計(jì)算來說非常具有挑戰(zhàn)性。

復(fù)旦大學(xué)李衛(wèi)華教授課題組結(jié)合其在嵌段共聚物自洽場計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)開發(fā)了這款軟件TOPS，其具有以下功 能和特點(diǎn)：

精確計(jì)算幾乎任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)體系中的目標(biāo)相結(jié)構(gòu)的自由能，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定相結(jié)構(gòu)的預(yù)測、構(gòu)建相圖和分析機(jī)理。

適用于嵌段共聚物熔體體系、共混體系和溶液體系，為計(jì)算理論探討和實(shí)驗(yàn)先行篩選出合適的參數(shù)空間。

擁有非常豐富的一元和二元結(jié)構(gòu)庫。

結(jié)合自動(dòng)優(yōu)化周期及特殊初始化算法，兼?zhèn)涓咝屎?a target="_blank">高精度。

結(jié)合快速傅里葉變換（FFT）和Anderson Mixing，進(jìn)一步加速了收斂過程。

可快速創(chuàng)建分子模型，可視化其結(jié)構(gòu)和計(jì)算結(jié)果。

支持Windows和Linux平臺(tái)，搭載鴻之微科技（上海）股份有限公司的Device Studio，可快速在本地和服務(wù)器遞交任務(wù)并進(jìn)行計(jì)算。

對石油化工、塑料加工、特種塑料盒纖維生產(chǎn)都有潛在的應(yīng)用。

TOPS具有以下應(yīng)用：

構(gòu)建相圖：TOPS可以計(jì)算給定參數(shù)下備選結(jié)構(gòu)的自由能，然后通過自由能的比較構(gòu)建熱力學(xué)平衡態(tài)結(jié)構(gòu)的相圖。

分析自由能數(shù)據(jù)：TOPS計(jì)算可以得到所有備選結(jié)構(gòu)的自由能、界面能和熵。通過這些數(shù)據(jù)可以分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性幾相關(guān)機(jī)制。

分析嵌段在結(jié)構(gòu)中的分布：TOPS計(jì)算可以獲得每個(gè)嵌段的密度分布，從而可以進(jìn)一步探討嵌段共聚物的自組裝機(jī)理。

TOPS采用隨機(jī)初始化，可以進(jìn)行嵌段共聚物自組裝形成新結(jié)構(gòu)的探索，為實(shí)驗(yàn)制備新的有序結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)。

以AB兩嵌段共聚物計(jì)算BCC結(jié)構(gòu)為例來詳細(xì)描述TOPS在Device Studio中的應(yīng)用。

8.9.1.TOPS計(jì)算流程

TOPS在Device Studio中的計(jì)算流程如圖8.9-1所示。

圖8.9-1: TOPS計(jì)算流程

8.9.2.TOPS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TOPS，或采用軟件默認(rèn)項(xiàng)目名。

8.9.3.TOPS建模（分子結(jié)構(gòu)）

以構(gòu)建AB兩嵌段共聚物為例，在Device Studio的圖形界面中，選中Simulator→TOPS→TOPS，彈出TOPS界面如圖8.9-2所示。

圖8.9-2: TOPS界面

在8.9-2所示界面中，設(shè)置參數(shù)如圖8.9-3中紅色框選部分所示，點(diǎn)擊Preview則可預(yù)覽搭建好的AB兩嵌段共聚物分子結(jié)構(gòu)。

圖8.9-3: TOPS構(gòu)建AB兩嵌段共聚物界面

編輯：黃飛