涵盖多种功能，龙讯旷腾Module第一期：物质结构

news2024/11/18 23:36:13

Module是什么

在PWmat的基础功能上，我们针对用户的使用需求开发了一些顶层模块（Module）。这些Module中的一部分是与已有的优秀工具的接口，一部分是以PWmat的计算结果为基础得到实际需要的物理量，一部分则是为特定的计算需求而设计的计算流程。这些Module涵盖了物质结构、基础性质、针对大体系的计算以及机器学习力场等，功能全面、操作方便。

今天聊聊Module之物质结构

Part.1 晶体/表面结构搜索

1. CALYPSO：通过粒子群算法进行结构搜索

该模块是PWmat和CALYPSO之间的接口，CALYPSO是一种高效的结构预测软件。该方法只需要给定化合物的化学成分就可以预测给定外部条件下的稳定或亚稳态结构，因此CALYPSO软件包可以用于预测晶体结构和设计多功能材料。

2. USPEX：以进化算法为主，可支持多种预测算法

该模块是PWmat和USPEX之间的接口。USPEX是Oganov实验室2004年开发的一种软件，它可以通过只知道材料的化学成分来预测任意P-T条件下的晶体结构。除了晶体结构预测外，USPEX还可以在其他维度上工作，并预测纳米颗粒、聚合物、表面、界面和2D晶体的结构。

以上两种方法，可针对仅知道化学组分不知道结构/高温高压的亚相/界面结构/吸附结构。

3. eticalgorithm：通过基因遗传算法搜索表面的结构

该模块用于介绍如何使用遗传算法搜索被吸附分子/团簇的新结构，本例中衬底的结构固定不变。例如，它可以用于搜索：–CO周围的水分子吸附在Cu（111）表面、具有给定原子数的金属簇、两种材料界面区的原子结构、平坦金属表面上的水图案、球形金属纳米团簇上的水图案。

上述方法，常用于表面催化，以及表面吸附（给定原子数）的金属团簇/分子（显式溶剂）/两种材料的界面。

Part.2 无序结构

4. Disorder: 根据对称性产生不可约的无序掺杂构型可助力高通量计算

该模块用于介绍如何使用开源软件Disorder生成PWmat支持的结构文件。Disorder是一款开源软件，它可以根据对称性生成不等价的无序晶体结构，应用场景主要有无序的取代掺杂或产生无序的空位。Disorder的运行时间和不可约对称结构的数目的变化呈线性标度，效率很高。

上述方法，可用于比较不同位点的原子替换的能量，例如LPS固态电解质不同S的替换成氧，以及随机移除原子某原子之后的能量变化，例如锂电池脱锂/注锂。

5. ATAT：根据SQS算法直接生成一个对关联能最低的结构

该模块是PWmat和合金理论自动化工具包（ATAT）之间的接口。ATAT是一个通用名称，指的是合金理论工具的集合，可用于生成特殊的Quasirandom结构（SQS），对无序固溶体进行建模，从第一原理构造团簇展开，对晶格模型进行蒙特卡罗模拟，从团簇展开开始，以计算合金的热力学性质。

上述方法，可实现多元素、高浓度掺杂，实验测得同一位点可能由不同元素占据。

6. Virtual Crystal Approximation: 用平均效应模拟整体性质

该模块用于研究具有近似无序处理的无序合金和固溶体的电子能带结构。与超胞近似相比，该模块提供了一种更简单、计算成本更低的方法。利用这种虚拟晶体近似（VCA）方法，可以很容易地计算无序合金和固溶体的晶格常数和电子结构。

上述方法，可不使用超胞和元素替换，减少计算量，较高概率可以得到较好的晶格常数等性质。

Part.3 分子动力学数据处理

7. R.I.N.G.S：Movement转xyz再交给R.I.N.G.S后处理

该模块是PWmat和R.I.N.G.S之间的接口。R.I.N.G.S是Fortran90/MPI中开发的一个科学代码，用于分析分子动力学模拟的结果。使用此代码，您可以计算：径向分布函数、模拟中子、X射线结构因子、均方位移、键角和二面角分布、成键性质、结构环境分布、孔隙分布、非常详细的环统计分析等，使用OpenDX进行三维可视化的各种输入文件。

上述方法，可用于径向分布函数g(r) ，均方位移（MSD）、结构因子S(q)以及相关中子散射/XRD结构，键长、键角、二面角、活性链/环等。

8. PLUMED: 在基础的数据处理上加上了元动力学辅助增强采样

PLUMED是一款功能强大的软件，包括：增强的采样算法、自由能方法，是分析分子动力学模拟产生的大量数据的工具。

上述方法，可用于键长/键角/扭转、RMSD、自由能；引入偏置势能，提高集体变量的采样效率；自由能面，高效逃出局域最小，模拟含有小概率事件的MD。

Part.4 CIF文件转换与结构处理

9. CIF2CELL: CIF转化为atom.config从CIF直接建立超胞/表面

该模块是PWmat和CIF2CELL之间的接口。CIF2CELL是一种从CIF（晶体学信息框架）文件生成多种结构文件的工具。该程序目前支持许多流行的电子结构程序的输出，包括PWmat、ABINIT、ASE、CASTEP、CP2K、CPMD、CRYSTAL09、Elk、EMTO、Exciting、Fleur、FHI aims、Hutsepot、MOPAC、Quantum Espresso、RSPt、Siesta、SPR-KR、VASP。还导出一些相关格式，如.coo、.cfg和.xyz文件。