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

上一期的教程給大家介紹了Device Studio應用實例之DS-PAW應用實例下半部分的內容，本期將介紹Device Studio應用實例之BDF應用實例上半部分的內容。

8.11.BDF實例

BDF（Beijing Density Functional）是一個獨立完整、具有完全自主知識產權的量子化學計算軟件包。也是國際上第一個基于現代密度泛函理論、能準確計算分子體系基態總能量的完全相對論密度泛函程序（早期的類似程序因數值積分精度太差不能準確計算總能量）。

BDF官方用戶手冊網址為：https://bdf-manual.readthedocs.io/zh_CN/latest/index.html

BDF的研發團隊信息：

國際量子分子科學院院士劉文劍研發團隊.
鴻之微研發團隊、服務團隊。

圖8.11-1: BDF軟件特色圖

BDF軟件特色：

1.高精度相對論方法。 2.任意點群對稱性。 3.自下而上自洽場方法。 4.高效軌道局域化。 5.亞線性標度含時密度泛函方法。 6.亞線性標度化學位移計算方法。

7.自旋匹配開殼層含時密度泛函方法。

8.基態與激發態旋軌耦合計算。

9.基態——激發態以及激發態——激發態非絕熱耦合矩陣元。 10.化學結構和反應路徑優化。

以基態分子CH2S完成sf-X2C/TDDFT-SOC的自旋軌道耦合計算為例來詳細描述 BDF 在Device Studio中的應用。

8.11.1.BDF的發展史

BDF 的研發始于1993年，并于1997年正式命名。最初的想法是對稀土、錒系、過渡金屬、超重元素等小分子體系進行高精度計算，考察這些體系中的相對論效應，因此一開始就采用基于Dirac算符的完全相對論密度泛函理論（4C-DFT）和近乎完備的基函數“數值基+STO”（Slater-type orbital）。正因為如此，BDF對稀土、錒系、超重元素的計算結果一直被作為檢驗其他近似相對論方法的基準。BDF對重元素體系電子、分子結構的計算結果被后續20余個實驗驗證。

2009年開始引入基于高斯基的解析積分，BDF 進入一個新的發展階段。

毋庸諱言，BDF 一開始就定位于發展新理論、新方法和新算法的平臺，因此是一款“科研軟件”。基于 BDF 發展的理論和方法包括：相對論含時密度泛函理論（4C/ZORA/X2C-TDDFT）、精確二分量（X2C）相對論理論、準四分量（Q4C）相對論理論、自旋分離的X2C相對論理論（sf-X2C+so-DKHn）、多體有效量子電動力學（eQED）、相對論核磁理論（4C/X2C-NMR）、相對論核自旋-轉動理論（4C-NSR）、相對論能帶理論（X2C-PBC）、X2C解析梯度和Hessian；激發態HF/KS方法（mom）；基于“用分子片合成分子”（F2M）思想的軌道局域化方案（FLMO）、亞線性標度含時密度泛函理論（FLMO-TDDFT）、亞線性標度NMR方法（FLMO-NMR）、迭代軌道相互作用“自下而上”自洽場方法（iOI）；自旋匹配開殼層含時密度泛函理論（SA-TDDFT）、自旋反轉含時密度泛函理論（SF-TDDFT）、基態/激發態-激發態非絕熱耦合含時密度泛函理論（NAC-TDDFT）、含時密度泛函理論解析能量梯度、任意單值/雙值點群對稱化等。

除了上述相對論/非相對論密度泛函、含時密度泛函理論，BDF還有基于“先靜態再動態又靜態”（SDS）思想的波函數電子相關方法SDSPT2SDSCI、iCI、iCIPT2、iCAS、iCISCF、SOC-iCI、iCI-SOC，以及直接求解大矩陣內部本征態的iVI方法等等。

鑒于BDF的現狀，首期商業化版本將以熒/磷光材料發光機理和材料設計為主要應用目標，因此不包括4C/X2C相對論、波函數電子相關、固體能帶/核磁等方法。即首期商業化的BDF將以DFT、TDDFT為主，包括基態與激發態KS、QM/MM、FLMO-TDDFT、SF-TDDFT、NAC-TDDFT、sf-X2C-SA-TDDFT/SOC、SA-TDDFT解析能量梯度和數值Hessian、穩定結構和過渡態優化、反應路徑優化、隱式溶劑化模型、FLMO-NMR、基于局域軌道（FLMO）的性質計算和分析等特色功能。

8.11.2.BDF計算流程

BDF在Device Studio中的計算流程如圖8.11-2所示。

圖8.11-2: BDF計算流程

8.11.3.BDF創建項目

雙擊Device Studio圖標快捷方式，登錄并啟動Device Studio，在創建或打開項目界面中(圖5.1-1: 啟動軟件后選擇創建或打開項目的圖形界面)，根據界面提示選擇創建一個新的項目（Create a new Project）或打開一個已經存在的項目（Open an existing Project）的按鈕，選中之后點擊界面中的OK按鈕即可。若選擇創建一個新的項目，用戶可根據需要給該項目命名，如本項目命名為BDF，或采用軟件默認項目名。

8.11.4.BDF導入結構

在Device Studio的圖形界面中點擊File→Import→Import Local，則彈出導入BDF結構文件的界面，根據界面提示找到CH2S.hzw結構文件的位置，選中CH2S.hzw結構文件，點擊打開按鈕則導入CH2S.hzw結構后的Device Studio界面如圖8.11-3所示。在Device Studio中導入結構的其他方法這里不做詳細說明，用戶可參照導入結構節內容。