1、不同計算材料軟件的模塊與優勢理工院13級物理學 徐飛鴻 學號13345028日期：2015年10月29日Materials Studio：Materials Studio是ACCELRYS公司專門為材料科學領域研究者所涉及的一款可運行在PC上的模擬軟件。它可以幫助你解決當今化學、材料工業中的一系列重要問題。支持Windows98、NT、Unix以及Linux等多種操作平臺的Materials Studio使化學及材料科學的研究者們能更方便的建立三維分子模型，深入的分析有機、無機晶體、無定形材料以及聚合物。多種先進算法的綜合運用使Material Studio成為一個強有力的模擬工具。它可以進行

2、性質預測、聚合物建模還是X射線衍射模擬，操作簡單，并且得到的數據切實可靠。靈活方便的Client-Server結構還是的計算機可以在網絡中任何一臺裝有NT、Linux或Unix操作系統的計算機上進行，從而最大限度的運用了網絡資源。ACCELRYS的軟件使任何的研究者都能達到和世界一流工業研究部門相一致的材料模擬的能力。模擬的內容囊括了催化劑、聚合物、固體化學、結晶學、晶粉衍射以及材料特性等材料科學研究領域的主要課題。模塊簡介：Materials Studio采用了大家非常熟悉的Microsoft標準用戶界面，允許用戶通過各種控制面板直接對計算參數和計算結果進行設置和分析。目前，Material

3、s Studio軟件包括如下功能模塊：Materials Visualizer:提供了搭建分子、晶體及高分子材料結構模型所需要的所有工具，可以操作、觀察及分析結構模型，處理圖表、表格或文本等形式的數據，并提供軟件的基本環境和分析工具以及支持Materials Studio的其他產品。是Materials Studio產品系列的核心模塊。Discover:Materials Studio的分子力學計算引擎。使用多種分子力學和動力學方法，以仔細推導力場作為基礎，可準確地計算出最低能量構型、分子體系的結構和動力學軌跡等。COMPASS:支持對凝聚態材料進行原子水平模擬的功能強大的力場。是第一個由凝聚

4、態性質以及孤立分子的各種從頭算和經驗數據等參數化并經驗證的從頭算力場。可以在很大的溫度、壓力范圍內精確地預測孤立體系或凝聚態體系中各種分子的結構、構象、振動以及熱物理性質。Amorphous Cell:允許對復雜的無定型系統建立有代表性的模型，并對主要性質進行預測。通過觀察系統結構和性質之間的關系，可以對分子的一些重要性質有更深入的了解，從而設計出更好的新化合物和新配方。可以研究的性質有：內聚能密度(CED)、狀態方程行為、鏈堆砌以及局部鏈運動等。Reflex:模擬晶體材料的X光、中子以及電子等多種粉末衍射圖譜。可以幫助確定晶體的結構，解析衍射數據并用于驗證計算和實驗結果。模擬的圖譜可以直接與

5、實驗數據比較，并能根據結構的改變進行即時的更新。包括粉末衍射指標化及結構精修等工具。Reflex Plus:是對Reflex的完善和補充，在Reflex標準功能基礎上加入了已被廣泛驗證的PowderSolve技術。Reflex Plus提供了一套可以從高質量的粉末衍射數據確定晶體結構的完整工具。Equilibria:可計算烴類化合物單組分體系或多組分混合物的相圖，溶解度作為溫度、壓力和濃度的函數也可同時得到，還可計算單組分體系的virial系數。適用領域包括石油及天然氣加工過程(如凝析氣在高壓下的性質)、石油煉制(重烴相在高壓下的性質)、氣體處理、聚烯烴反應器(產物控制)、橡膠(作為溫度和濃度

6、的函數的不同溶劑的溶解度)。DMol3:獨特的密度泛函(DFT)量子力學程序，是唯一的可以模擬氣相、溶液、表面及固體等過程及性質的商業化量子力學程序，應用于化學、材料、化工、固體物理等許多領域。可用于研究均相催化、多相催化、分子反應、分子結構等，也可預測溶解度、蒸氣壓、配分函數、熔解熱、混合熱等性質。CASTEP:先進的量子力學程序，廣泛應用于陶瓷、半導體、金屬等多種材料，可研究：晶體材料的性質(半導體、陶瓷、金屬、分子篩等)、表面和表面重構的性質、表面化學、電子結構(能帶及態密度)、晶體的光學性質、點缺陷性質(如空位、間隙或取代摻雜)、擴展缺陷(晶粒間界、位錯)、體系的三維電荷密度及波函數等

7、。Materials Studio軟件的優點：1、Materials Studio是專門為材料科學領域研究者開發的一款可運行在PC上的模擬軟件。支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多種操作平臺。2、Materials Studio軟件采用靈活的Client-Server結構。其核心模塊Visualizer運行于客戶端PC，支持的操作系統包括Windows 98、2000、NT;計算模塊(如Discover)3、Amorphous，Equilibria，DMol3，CASTEP等)運行于服務器端，支持的系統包括Windows 2000、NT、SGIIRIX以及Red

8、 Hat Linux。4、投入成本低，易于推廣。浮動許可(Floating License)機制允許用戶將計算作業提交到網絡上的任何一臺服務器上，并將結果返回到客戶端進行分析，從而最大限度地利用了網絡資源，減少了硬件投資。Wien2K：用密度泛函理論（DFT）計算固體的電子結構。它基于鍵結構計算最準確的方案完全勢能(線性)增廣平面波(L)APW)+局域軌道(lo)方法。在密度泛函中可以使用局域(自旋)密度近似(LDA)或廣義梯度近似(GGA)。WIEN 2000使用全電子方案，包含相對論影響。功能1、計算固體特性。2、鍵能和態密度，電子密度和自旋密度，X射線結構因子，Baders的“分子中的原

9、子”概念，總能量，力，平衡結構，結構優化，分子動力學，電場梯度，異構體位移，超精細場，自旋極化(鐵磁性和反鐵磁性結構)，自旋-軌道耦合，X射線發射和吸收譜，電子能量損失譜計算固體的光學特性。3、費米表面。4、LDA，GGA，meta-GGA，LDA+U，軌道極化。5、中心對稱和非中心對稱晶格，內置230個空間群。6、圖形用戶界面和用戶指南。7、友好的用戶環境W2web (WIEN to WEB)可以很容易的產生和修改輸入文件8、幫助用戶執行各種任務(如電子密度，態密度等。平臺：Unix / Linux。Gaussian： Gaussian是目前計算化學領域內最流行、應用范圍最廣的商業化量子化學

10、計算程序包。Gaussian軟件的出現降低了量子化學計算的門檻，使得從頭計算方法可以廣泛使用，從而極大地推動了其在方法學上的進展。其可執行程序可在不同型號的大型計算機，超級計算機，工作站和個人計算機上運行，并相應有不同的版本。到目前為止，Gaussian已經推出了12個版本，包括Gaussian70、Gaussian76、Gaussian80、Gaussian82、Gaussian86、Gaussian88、Gaussian90、Gaussian92、Gaussian92/DFT、Gaussian94、Gaussian98、Gaussian03等，其版本數字也是該版本發布的年份。其中，每個版本

11、發布后，還陸續發布了一些這些版本的修訂版。目前最新的版本是Gaussian03 Revision D.01/D.02。Gaussian程序是用FORTRAN語言編寫的，它從量子力學的基本原理出發，可計算能量、分子結構、分子體系的振動頻率以及大量從這些基本計算方法中導出的分子性質。它能用于研究不同條件下的分子和反應，包括穩定的粒子和實驗上難以觀測的化合物，例如瞬時的反應中間物和過渡結構。Gaussian的并行模式是采用OpenMP來實現的。OPENMP的并行實現是針對共享內存的機器的，實現方法簡單。因此Gaussian在共享內存的機器上，能獲得很好的性能。對于跨節點的計算，Gaussian使用T

12、CP Linda軟件來實現。TCP Linda是一個虛擬共享內存的并行執行環境，它可以把一個通過網絡連接的分布式內存的機群或工作站虛擬成共享內存環境，從而使像Gaussian這樣的用OPENMP實現并行的程序能夠在分布式內存的機器上運行。功能1、 分子能量和結構2、 過渡態能量和結構3、 鍵和反應能量4、 分子軌道5、 多重矩6、 原子電荷和電勢7、 振動頻率8、 紅外和拉曼光譜9、 核磁性質10、 極化率和超極化率11、 熱力學性質12、 反應路徑計算可以對體系的基態或激發態執行。可以預測周期體系的能量，結構和分子軌道。因此，Gaussian可以作為功能強大的工具，用于研究許多化學領域的課題

13、，例如取代基的影響，化學反應機理，勢能曲面和激發能等等。Gaussian 03 介紹Gaussian 03在化學、化工、生物化學、物理化學等化學相關領域方面的功能都進行了增強。1、 研究大分子的反應和光譜Gaussian 03對ONIOM做了重大修改，能夠處理更大的分子(例如，酶)，可以研究有機體系的反應機制，表面和表面反應的團簇模型，有機物光化學過程，有機和有機金屬化合物的取代影響和反應，以及均相催化作用等。ONIOM的其它新功能還有：定制分子力學力場;高效的ONIOM頻率計算;ONIOM對電、磁性質的計算。2、通過自旋-自旋耦合常數確定構像當沒有X-射線結構可以利用時，研究新化合物的構像是

14、相當困難的。NMR光譜的磁屏蔽數據提供了分子中各原子之間的連接信息。自旋-自旋耦合常數可用來幫助識別分子的特定構像，因為它們依賴于分子結構的扭轉角。除了以前版本提供的NMR屏蔽和化學位移以外，Gaussian 03還能預測自旋-自旋耦合常數。通過對不同構像計算這些常數，并對預測的和觀測的光譜做比較，可以識別觀測到的特定構像。另外，歸屬觀測的峰值到特定的原子也比較容易。3、研究周期性體系Gaussian 03擴展了化學體系的研究范圍，它可以用周期性邊界條件的方法(PBC)模擬周期性體系，例如聚合物和晶體。PBC技術把體系作為重復的單元進行模擬，以確定化合物的結構和整體性質。例如，Gaussian

15、 03可以預測聚合物的平衡結構和過渡結構。通過計算異構能量，反應能量等，它還可以研究聚合物的反應，包括分解，降解，燃燒等。Gaussian 03還可以模擬化合物的能帶隙。PBC的其它功能還有：(1) 二維PBC方法可以模擬表面化學，例如在表面和晶體上的反應。用同樣的基組，Hartree-Fock或DFT理論方法還可以用表面模型或團簇模型研究相同的問題。Gaussian 03使得對研究的問題可以選擇合適的近似方法，而不是使問題滿足于模塊的能力極限。(2) 三維PBC：預測晶體以及其它三維周期體系的結構和整體性質。4、 預測光譜Gaussian 03可以計算各種光譜和光譜特性。包括：IR和Rama

16、n;預共振Raman;紫外-可見;NMR;振動圓形二色性(VCD);電子圓形二色性(ECD);旋光色散(ORD);諧性振-轉耦合;非諧性振動及振-轉耦合;g張量以及其它的超精細光譜張量。5、模擬在反應和分子特性中溶劑的影響在氣相和在溶液之間，分子特性和化學反應經常變化很大。例如，低位構像在氣相和在(不同溶劑的)溶液中，具有完全不同的能量，構像的平衡結構也不同，化學反應具有不同的路徑。Gaussian 03提供極化連續介質模型(PCM)，用于模擬溶液體系。這個方法把溶劑描述為極化的連續介質，并把溶質放入溶劑間的空穴中。Gaussian 03的PCM功能包含了許多重大的改進，擴展了研究問題的范圍：

17、可以計算溶劑中的激發能，以及激發態的有關特性;NMR以及其它的磁性能;用能量的解析二級導數計算振動頻率，IR和Raman光譜，以及其它特性;極化率和超極劃率;執行性能上的改善。G03W的界面和G98W相比，沒有什么變化，G98W的用戶不需要重新熟悉界面。Gaussian新增內容1、 新的量子化學方法(1) ONIOM模塊做了增強對ONIOM(MO:MM)計算支持電子嵌入，可以在QM區域的計算中考慮MM區域的電特性。通過算法的改善，ONIOM(MO:MM)對大分子(如蛋白質)的優化更快，結果更可靠。ONIOM(MO:MM)能夠計算解析頻率，ONIOM(MO:MO)的頻率計算更快。提供對一般分子力

18、場(MM)的支持，包括讀入和修改參數。包含了獨立的MM優化程序。支持任何ONIOM模擬的外部程序。(2) 修改和增強了溶劑模塊改善和增強了連續介質模型(PCM)：默認是IEFPCM模型，解析頻率計算可以用于SCRF方法。此外改善了空穴生成技術。模擬溶液中的很多特性。可以對Klamt的COSMO-RS程序產生輸入，通過統計力學方法，用于計算溶解能，配分系數，蒸汽壓，以及其它整體性質。(3) 周期性邊界條件(PBC)增加了PBC模塊，用于研究周期體系，例如聚合物，表面，和晶體。PBC模塊可以對一維、二維或三維重復性分子或波函求解具有邊界條件的Schrodinger方程。周期體系可以用HF和DFT研

19、究能量和梯度;(4) 分子動力學方法動力學計算可以定性地了解反應機制和定量地了解反應產物分布。計算包含兩個主要近似：Born-Oppenheimer分子動力學(BOMD), 對勢能曲面的局域二次近似計算經典軌跡。計算用Hessian算法預測和校正走步，較以前的計算在步長上能夠改善10倍以上。還可以使用解析二級導數，BOMD能夠用于所有具有解析梯度的理論方法。提供原子中心密度矩陣傳播(ADMP)分子動力學方法，用于Hartree-Fock和DFT。吸取了Car和Parrinello的經驗，ADMP傳遞電子自由度，而不是求解每個核結構的SCF方程。與Car-Parrinello不同之處在于，ADM

20、P傳遞密度矩陣而不是MO。如果使用了原子中心基組，執行效率會更高。這一方法解決了Car-Parrinello存在的一些限制，例如，不再需要用D代替H以獲得能量守恒，純DFT和混合DFT均可使用。ADMP也可以在溶劑存在的情況下執行，ADMP可以用于ONIOM(MO:MM)計算。(5) 激發態激發態計算方面做了增強。由于改善了在完全組態相互作用計算中求解CI矢量的算法，提高了CASSCF執行效率。對能量和梯度計算可以使用約14個軌道(頻率計算仍是8個)。限制活性空間(RAS)的SCF方法。RASSCF把分子軌道分成五個部分：最低的占據軌道(計算中作為非活性軌道考慮)，計算中作為雙占據的RAS1空

21、間，包含對所研究問題非常重要分子軌道的RAS2空間，弱占據的RAS3空間，以及未占據軌道(計算中做凍結處理)。因此，CASSCF在RAS計算中分成三個部分，考慮的組態通過定義RAS1空間允許的最少電子數和RAS3空間允許的最多電子數，以及三個RAS空間電子總數來產生。NBO軌道可用于定義CAS和RAS活性空間。對于對應成鍵/孤對電子的反鍵軌道可以提供相當好的初始猜測。對稱性匹配簇/組態相互作用(SAC-CI)方法，用于有機體系激發態的高精度計算，研究兩個或更多電子激發的過程(例如電離譜的擾動)，以及其它的問題。CIS，TD-HF和TD-DFT的激發態計算中可以考慮溶劑影響。2、 新的分子特性(

22、1) 自旋-自旋耦合常數，用于輔助識別磁譜的構像。(2) g張量以及其它的超精細光譜張量，包括核電四次常數，轉動常數，四次離心畸變項，電子自旋轉動項，核自旋轉動項，偶極超精細項，以及Fermi接觸項。所有的張量可以輸出到Pickett的擬合與光譜分析程序。(3) 諧性振-轉耦合常數。分子的光譜特性依賴于分子振、轉模式的耦合。可用于分析轉動譜。(4) 非諧性振動及振-轉耦合。通過使用微擾理論，更高級的項可以包含到頻率計算中，以產生更精確的結果。(5) 預共振Raman光譜，可以產生基態結構，原子間連接，以及振動態的信息。(6) 旋光性以及旋光色散，通過GIAO計算，用于識別手性體系的異構體。(7

23、) 電子圓二色性(ECD)。這一特性是光學活性分子在可見-紫外區域的差異吸收，用于歸屬絕對構型。預測的光譜還可用于解釋已存在的ECD數據和歸屬峰位，(8) 含頻極化和超極化，用于研究材料的分子特性隨入射光波長的變化。(9) 用量度無關原子軌道(GIAO)方法計算磁化率，它類似于電極化率，用于研究分子的順磁/反磁特性。(10) 預測氣相和在溶劑中的電、磁特性和光譜。(11) ONIOM預測電、磁特性。3、 新增加的基本算法(1) 更好的初始軌道猜測。Gaussian 03使用Harris泛函產生初始猜測。這個泛函是對DFT非迭代的近似，它產生的初始軌道比Gaussian 98要好，例如，對有機體

24、系有所改善，對金屬體系有明顯改善。(2) 新的SCF收斂算法，幾乎可以解決以前所有的收斂問題。對于其它極少數的不收斂情況，Gaussian 03提供了Fermi展寬和阻尼方法。(3) 純DFT計算的密度擬合近似。這一近似在計算庫侖相互作用時，把密度用一組原子中心函數展開，而不是計算全部的雙電子積分。它用線性換算的算法，對中等體系的純DFT計算可以極大地提高計算效率，而又不損失多少精度。Gaussian 03可以對AO基自動產生合適的擬合基，也可以選擇內置的擬合基。(4) 更快的自動FMM方法，用于適中的體系(純DFT約100個原子，混合DFT約150個原子)。(5) 對純DFT使用更快的庫侖能

25、算法，節省庫侖問題的CPU時間。(6) O(N)更精確的交換能量項。在Hartree-Fock和DFT計算中，通過刪除密度矩陣的零值項來屏蔽精確的交換貢獻。這可以節省時間，而又不損失精度。4、 新增功能：(1) 新的密度泛函：OPTX交換，PBE和B95相關，VSXC和HCTH純泛函，B1及其變體B98，B97-1，B97-2，PBE1PBE混合泛函。(2) 高精度能量方法：G3及其變體，W1方法。另外還包含W1BD，它用BD代替耦合簇，比CBS-QB3和G3更精確，當然計算也更加昂貴。(3) 對重元素全電子基組計算的Douglas-Kroll-Hess標量相對論修正，用于當ECP基組不能滿足

26、精度的情況。(4) 逼近基組極限的UGBS基組。SIESTA(Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands ofAtoms)：SIESTA是一種實現電子結構計算和第一性原理分子動力學模擬的程序，同時也是一種實現的方法。軟件功能：SIESTA用于分子和固體的電子結構計算和分子動力學模擬。SIESTA使用標準的Kohn-Sham自恰密度泛函方法，結合局域密度近似(LDA-LSD)或廣義梯度近似(GGA)。計算使用完全非局域形式(Kleinman-Bylander)的標準守恒贗勢。基組是數值原子軌道的線性組合(LCAO)。它

27、允許任意個角動量，多個zeta，極化和截斷軌道。計算中把電子波函和密度投影到實空間網格中，以計算Hartree和XC勢，及其矩陣元素。除了標準的Rayleigh-Ritz本征態方法以外，程序還允許使用占據軌道的局域化線性組合。使得計算時間和內存隨原子數線性標度，因而可以在一般的工作站上模擬幾百個原子的體系。程序用Fortran 90編寫，可以動態分配內存，因此當要計算的問題尺寸發生改變時，無需重新編譯。程序可以編譯為串行和并行模式。軟件主要有以下功能:l 總能量和部分能量l 原子力l 應力張量l 電偶極矩l 原子，軌道和鍵分析 (Mulliken)l 電子密度l 幾何松弛，固定或者改變晶胞l

28、常溫分子動力學l 可變晶胞動力學 (Parrinello-Rahman)l 自旋極化計算(共線或者非共線)l BZ區的k-取樣l 態的局域和軌道投影密度l 能帶結構l 通過過濾或移到原子格點的方法平滑“蛋箱效應”l HF和混和泛函l 用多格點方法對溶劑中的分子計算Poisson-Boltzman方程l 其它的線性標度方法l 增強的MD歷史框架Siesta 3.0新增功能：1. 功能增強：TranSiesta功能;主程序模塊化;計算COOP/COHP/PDOS曲線的新程序，用于化學分析;優化基組、贗勢的工具程序;新的過濾流程，用于減少蛋箱結構的影響。2. 新的工具：新版本denchar;新的檢查

29、蛋箱腳本;贗勢文件解釋器;加入新的STM-圖像代碼;Python、Matlab、Octave語言的腳本工具。3. 新的功能：更靈活的產生基組選項;正確處理帶電表面;Ordejon-Mauri線性標度泛函支持奇數電子;PBEsol和Wu-Cohen泛函;優化的增強;新的分子力學框架，包括Grimme型vdW;任意k點。VASP：VASP是使用贗勢和平面波基組，進行從頭量子力學分子動力學計算的軟件包，它基于CASTEP 1989版開發。VAMP/VASP中的方法基于有限溫度下的局域密度近似(用自由能作為變量)以及對每一MD步驟用有效矩陣對角方案和有效Pulay混 合求解瞬時電子基態。這些技術可以避

30、免原始的Car-Parrinello方法存在的一切問題，而后者是基于電子、離子運動方程同時積分的方法。離子和電 子的相互作用超緩Vanderbilt贗勢(US-PP)或投影擴充波(PAW)方法描述。兩種技術都可以相當程度地減少過渡金屬或第一行元素的每個原子 所必需的平面波數量。力與張量可以用VAMP/VASP很容易地計算，用于把原子衰減到其瞬時基態中。功能一、VASP程序的亮點：1、VASP使用PAW方法或超軟贗勢，因此基組尺寸非常小，描述體材料一般需要每原子不超過100個平面波，大多數情況下甚至每原子50個平面波就能得到可靠結果。2、在平面波程序中，某些部分代碼的執行是三次標度。在VASP中

31、，三次標度部分的前因子足可忽略，導致關于體系尺寸的高效標度。因此可以在實空間求解勢的非局域貢獻，并使正交化的次數最少。當體系具有大約2000個電子能帶時，三次標度部分與其它部分可比，因此VASP可用于直到4000個價電子的體系。3、VASP使用傳統的自洽場循環計算電子基態。這一方案與數值方法組合會實現有效、穩定、快速的Kohn-Sham方程自洽求解方案。程序使用的迭代矩陣對角化方案(RMM-DISS和分塊Davidson)可能是目前最快的方案。4、VASP包含全功能的對稱性代碼，可以自動確定任意構型的對稱性。5、對稱性代碼還用于設定Monkhorst-Pack特殊點，可以有效計算體材料和對稱的

32、團簇。Brillouin區的積分使用模糊方法或四面體方法。四面體方法可以用Blöchl校正去掉線性四面體方法的二次誤差，實現更快的k點收斂速度。二、VASP 5.2的新功能：1、大規模并行計算需要較少的內存。2、加入新的梯度校正泛函AM05和PBEsol;用標準PBE POTCAR文件提供新泛函;改善了單中心處理。3、離子位置和格矢中加入有限差分，從而得到二階導，用于計算原子間力常數和聲子(需要超晶胞近似)，和彈性常數。計算中自動考慮對稱性。4、離子位置和靜電場中加入線性響應，從而得到二階導，用于計算原子間力常數和聲子(需要超晶胞近似)，Born有效電荷張量，靜態介電張量(電子和離子

33、貢獻)，內應變張量，壓電張量(電子和離子貢獻)。線性響應只能用于局域和半局域泛函。5、精確的非局域交換和雜化泛函：Hartree-Fock方法;雜化泛函，特別是PBE0和HSE06;屏蔽交換;(實驗性的)簡單模型勢GW-COHSEX，用于經驗的屏蔽交換內核;(實驗性的)雜化泛函B3LYP。6、通過本征態求和計算含頻介電張量：使用粒子無關近似，或通過GW的隨機相近似。可用于局域，半局域，雜化泛函，屏蔽交換，和Hartree-Fock。7、完全含頻GW，速度達到等離子極點模型：單發G0W0;在G和W中迭代本征矢直至自洽;(實驗性的)迭代G(也可以選W)本征矢的自洽GW;(實驗性的)對相關能使用RPA近似的GW總能量;用LDA計算G和W的頂點校正(局域場效應)，僅能用于非自旋極化的情況;(實驗性的)W的多體頂點校正，僅能用于非自旋極化的情況。實驗性的功能：用