QUANTUMESPRESSO在Device Studio中的应用

Device Studio（简称：DS）作为鸿之微的材料设计与仿真软件，能够进行电子器件的结构搭建与仿真；能够进行晶体结构和纳米器件的建模；能够生成科研计算软件 Nanodcal、Nanoskim、MOMAP、RESCU、DS-PAW、BDF、STEMS、TOPS、PODS、VASP、LAMMPS、QUANTUM ESPRESSO、Gaussian的输入文件并进行存储和管理；可以根据用户需求，将输入文件传递给远程或本地的计算机进行计算，并控制计算流程；可以将计算结果进行可视化显示和分析。

上一期的教程给大家介绍了Device Studio应用实例之LAMMPS应用实例的内容，本期将介绍Device Studio应用实例之QUANTUM ESPRESSO应用实例的内容。

8.3. QUANTUM ESPRESSO 实例

QUANTUM ESPRESSO 是一款功能很强大的第一性原理计算开源软件，ESPRESSO是opEn-Source Package的首字母缩写，基于密度泛函理论、平面波及赝势，可用于纳米尺度下电子结构计算。QUANTUM ESPRESSO 的核心平面波DFT模块为PWscf（平面波自洽场），PWscf（平面波自洽场）使用平面波基集和伪势能在密度泛函理论和密度泛函微扰理论范围内进行电子结构计算的程序。目前，PWscf（平面波自洽场）模块已经集成在Device Studio中。

目前用户可通过Device Studio进行 QUANTUM ESPRESSO 以下性质的计算： 结构驰豫、自洽、能带、态密度、DFT+U、共线自旋、非共线自旋、自旋轨道耦合。

以 Si晶体结构的自洽、能带及态密度计算 为例来详细描述 QUANTUMESPRESSO 在Device Studio中的应用。

8.3.1. QUANTUM ESPRESSO计算流程

QUANTUM ESPRESSO在Device Studio中的计算流程如图8.3-1所示。

图8.3-1: QUANTUM ESPRESSO计算流程

8.3.2. QUANTUM ESPRESSO创建项目

双击Device Studio图标快捷方式，登录并启动Device Studio，在创建或打开项目界面中(图5.1-1: 启动软件后选择创建或打开项目的图形界面)，根据界面提示选择创建一个新的项目（ Create a new Project ）或打开一个已经存在的项目（ Open an existing Project ）的按钮，选中之后点击界面中的 OK 按钮即可。若选择创建一个新的项目，用户可根据需要给该项目命名，如本项目命名为 QUANTUM ESPRESSO，或采用软件默认项目名。

8.3.3. QUANTUM ESPRESSO导入结构

在Device Studio中导入Si晶体结构后的图形界面如图8.3-2。在Device Studio中导入Si晶体结构的具体操作这里不做详细说明，用户可参照 导入结构 节内容。

图8.3-2: 导入Si晶体结构后的Device Studio图形界面

8.3.4. QUANTUM ESPRESSO参数设置

在如图8.3-2所示界面中选中 Simulator → QUANTUM ESPRESSO → QUANTUM ESPRESSO，弹出界面如图8.3-3（a）所示，用户可根据所计算的结构及计算需要在该界面中点击不同的按钮合理设置参数，之后点击 Generate files 即可生成对应计算的输入文件。

如生成Si晶体结构的自洽、能带及态密度计算的输入文件，根据计算需要设置参数，分别选中 Basic settings 、Bandstructure、DensityOfStates，设置参数分别如图8.3-3（b）、8.3-3（c）、8.3-3（d）所示，设置好参数后点击 Generate files 即可生成Si晶体结构自洽、能带及态密度计算的输入文件 scf.in、band.in、nscf.in、dos.in。

8.3.5. QUANTUM ESPRESSO输入文件的生成

生成Si晶体结构的自洽、能带和态密度计算的输入文件 scf.in、band.in、nscf.in、dos.in 的Device Studio界面如图8.3-4所示。其中，scf.in 为自洽计算输入文件； band.in 为能带计算输入文件；由于态密度计算之前需要先进行一个非自洽计算，因此 nscf.in 和 dos.in 是态密度计算所需的输入文件，计算顺序为先 nscf.in 后 dos.in。

图8.3-4: 生成Si晶体结构自洽、能带、态密度计算输入文件的Device Studio图形界面

在如图8.3-4所示界面中，选中 scf.in → 右击 → Open with 即可查看到Si晶体结构自洽计算输入文件如下所示。对于其他输入文件，用户可根据计算需要选择是否打开查看，这里不做详细说明。

 

 

8.3.6. QUANTUM ESPRESSO计算

在如图8.3-4所示界面中，在Device Studio的Project Explorer区域选中 scf.in → 右击 → Run，弹出Run界面如图8.3-5所示，点击界面中的 Run 按钮则可进行Si晶体结构的自洽计算。以此类推，分别选中 band.in、nscf.in、dos.in 文件重复上述步骤进行Si的能带和态密度计算。

在计算过程中，用户可在Job Manager区域观察自洽、能带和态密度计算的计算状态，当计算任务处于排队中、计算中和计算完成时，Status 分别为Queued、Running、Finished，计算完成后Device Studio图形界面如图8.3-6所示。其中，scf.out、bs.out 和 nscf.out 分别为Si晶体结构自洽、能带和非自洽计算的日志文件；dos.out 和 Si.dos 分别为Si态密度计算的日志文件和数据文件。

图8.3-5: Run界面

图8.3-6: Si晶体结构自洽、能带和态密度计算完成的Device Studio图形界面

8.3.7. QUANTUM ESPRESSO计算结果的可视化分析

对于Si的能带和态密度计算结果 bs.out 和 Si.dos，Device Studio可将其进行显示供用户进行相关分析，即计算结果的可视化分析。如 bs.out，在如图8.3-6所示界面的Project Explorer区域选中 bs.out → 右击 → Show View，则弹出Si的能带可视化分析界面如图8.3-7所示，用户可通过滚动鼠标中键将可视化分析结果放大或缩小。选中如图8.3-7所示界面中 Export快捷图标，弹出导出可视化分析结果的图形界面，用户可根据需要选择图片的保存路径和保存格式，并给所保存的图片命名。

在Device Studio的Project Explorer区域选中 Si.dos → 右击 → Show View，则弹出Si的态密度可视化分析界面如图8.3-8所示。

图8.3-7: Si晶体能带（ bs.out ）的可视化分析界面

图8.3-8: Si晶体态密度（ Si.dos ）的可视化分析界面

审核编辑 ：李倩