Device Studio應(yīng)用實(shí)例之BDF(上)

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DS-PAW應(yīng)用實(shí)例下半部分的內(nèi)容，本期將介紹Device Studio應(yīng)用實(shí)例之BDF應(yīng)用實(shí)例上半部分的內(nèi)容。

8.11.BDF實(shí)例

BDF（Beijing Density Functional）是一個(gè)獨(dú)立完整、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的量子化學(xué)計(jì)算軟件包。也是國際上第一個(gè)基于現(xiàn)代密度泛函理論、能準(zhǔn)確計(jì)算分子體系基態(tài)總能量的完全相對論密度泛函程序（早期的類似程序因數(shù)值積分精度太差不能準(zhǔn)確計(jì)算總能量）。

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

BDF的研發(fā)團(tuán)隊(duì)信息：

• 國際量子分子科學(xué)院院士劉文劍研發(fā)團(tuán)隊(duì).

• 鴻之微研發(fā)團(tuán)隊(duì)、服務(wù)團(tuán)隊(duì)。

圖8.11-1: BDF軟件特色圖

BDF軟件特色：

7.自旋匹配開殼層含時(shí)密度泛函方法。

8.基態(tài)與激發(fā)態(tài)旋軌耦合計(jì)算。

以基態(tài)分子CH2S完成sf-X2C/TDDFT-SOC的自旋軌道耦合計(jì)算為例來詳細(xì)描述 BDF 在Device Studio中的應(yīng)用。

8.11.1.BDF的發(fā)展史

BDF 的研發(fā)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(jìn)行高精度計(jì)算，考察這些體系中的相對論效應(yīng)，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(shù)“數(shù)值基+STO”（Slater-type orbital）。正因?yàn)槿绱?，BDF對稀土、錒系、超重元素的計(jì)算結(jié)果一直被作為檢驗(yàn)其他近似相對論方法的基準(zhǔn)。BDF對重元素體系電子、分子結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果被后續(xù)20余個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2009年開始引入基于高斯基的解析積分，BDF 進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。

毋庸諱言，BDF 一開始就定位于發(fā)展新理論、新方法和新算法的平臺(tái)，因此是一款“科研軟件”?；?BDF 發(fā)展的理論和方法包括：相對論含時(shí)密度泛函理論（4C/ZORA/X2C-TDDFT）、精確二分量（X2C）相對論理論、準(zhǔn)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(dòng)力學(xué)（eQED）、相對論核磁理論（4C/X2C-NMR）、相對論核自旋-轉(zhuǎn)動(dòng)理論（4C-NSR）、相對論能帶理論（X2C-PBC）、X2C解析梯度和Hessian；激發(fā)態(tài)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(biāo)度含時(shí)密度泛函理論（FLMO-TDDFT）、亞線性標(biāo)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(shí)密度泛函理論（SA-TDDFT）、自旋反轉(zhuǎn)含時(shí)密度泛函理論（SF-TDDFT）、基態(tài)/激發(fā)態(tài)-激發(fā)態(tài)非絕熱耦合含時(shí)密度泛函理論（NAC-TDDFT）、含時(shí)密度泛函理論解析能量梯度、任意單值/雙值點(diǎn)群對稱化等。

除了上述相對論/非相對論密度泛函、含時(shí)密度泛函理論，BDF還有基于“先靜態(tài)再動(dòng)態(tài)又靜態(tài)”（SDS）思想的波函數(shù)電子相關(guān)方法SDSPT2SDSCI、iCI、iCIPT2、iCAS、iCISCF、SOC-iCI、iCI-SOC，以及直接求解大矩陣內(nèi)部本征態(tài)的iVI方法等等。

鑒于BDF的現(xiàn)狀，首期商業(yè)化版本將以熒/磷光材料發(fā)光機(jī)理和材料設(shè)計(jì)為主要應(yīng)用目標(biāo)，因此不包括4C/X2C相對論、波函數(shù)電子相關(guān)、固體能帶/核磁等方法。即首期商業(yè)化的BDF將以DFT、TDDFT為主，包括基態(tài)與激發(fā)態(tài)KS、QM/MM、FLMO-TDDFT、SF-TDDFT、NAC-TDDFT、sf-X2C-SA-TDDFT/SOC、SA-TDDFT解析能量梯度和數(shù)值Hessian、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和過渡態(tài)優(yōu)化、反應(yīng)路徑優(yōu)化、隱式溶劑化模型、FLMO-NMR、基于局域軌道（FLMO）的性質(zhì)計(jì)算和分析等特色功能。

8.11.2.BDF計(jì)算流程

BDF在Device Studio中的計(jì)算流程如圖8.11-2所示。

圖8.11-2: BDF計(jì)算流程

8.11.3.BDF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BDF，或采用軟件默認(rèn)項(xiàng)目名。

8.11.4.BDF導(dǎo)入結(jié)構(gòu)

在Device Studio的圖形界面中點(diǎn)擊File→Import→Import Local， 則彈出導(dǎo)入BDF結(jié)構(gòu)文件的界面，根據(jù)界面提示找到CH2S.hzw結(jié)構(gòu)文件的位置，選中CH2S.hzw結(jié)構(gòu)文件，點(diǎn)擊打開按鈕則導(dǎo)入CH2S.hzw結(jié)構(gòu)后的Device Studio界面如圖8.11-3所示。在Device Studio中導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的其他方法這里不做詳細(xì)說明，用戶可參照導(dǎo)入結(jié)構(gòu)節(jié)內(nèi)容。

圖8.11-3: 導(dǎo)入CH2S.hzw結(jié)構(gòu)后的Device Studio圖形界面