Device Studio应用实例之TOPS应用实例

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。

本期将介绍Device Studio应用实例之TOPS应用实例上半部分的内容。

8.9. TOPS实例

Topological Polymeric Self-Consistent Field Theory 是一款基于自洽平均场理论（Self-Consistent Field Theory）的嵌段共聚物自组装相行为计算与模拟软件，简称 TOPS 。嵌段共聚物作为一种特殊的高分子，因其独特的分相机制，适宜的 分相尺度（10-100 nm）和在材料、半导体纳米刻蚀领域内的潜在应用受到人们的广泛关注和研究。但由于嵌段共聚物自组装体系参数空 间巨大且形成的自由能曲面非常复杂，其热力学平衡态结构的预测对于理论计算来说非常具有挑战性。

复旦大学李卫华教授课题组 结合其在嵌段共聚物自洽场计算领域内数十年的经验开发了这款软件TOPS，其具有以下功 能和特点：

精确计算几乎任意拓扑结构体系中的目标相结构的自由能，实现稳定相结构的预测、构建相图和分析机理。

适用于嵌段共聚物熔体体系、共混体系和溶液体系，为计算理论探讨和实验先行筛选出合适的参数空间。

拥有非常丰富的一元和二元结构库。

结合自动优化周期及特殊初始化算法，兼备高效率和高精度。

结合快速傅里叶变换（FFT）和Anderson Mixing，进一步加速了收敛过程。

可快速创建分子模型，可视化其结构和计算结果。

支持Windows和Linux平台，搭载鸿之微科技（上海）股份有限公司的Device Studio，可快速在本地和服务器递交任务并进行计算。

对石油化工、塑料加工、特种塑料盒纤维生产都有潜在的应用。

TOPS具有以下应用 ：

构建相图 ：TOPS可以计算给定参数下备选结构的自由能，然后通过自由能的比较构建热力学平衡态结构的相图。

分析自由能数据 ：TOPS计算可以得到所有备选结构的自由能、界面能和熵。通过这些数据可以分析结构的稳定性几相关机制。

分析嵌段在结构中的分布 ：TOPS计算可以获得每个嵌段的密度分布，从而可以进一步探讨嵌段共聚物的自组装机理。

TOPS采用随机初始化，可以进行嵌段共聚物自组装形成新结构的探索，为实验制备新的有序结构提供指导 。

以 AB两嵌段共聚物计算BCC结构 为例来详细描述TOPS在Device Studio中的应用。

8.9.1. TOPS计算流程

TOPS在Device Studio中的计算流程如图8.9-1所示。

图8.9-1: TOPS计算流程

8.9.2. TOPS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 TOPS，或采用软件默认项目名。

8.9.3. TOPS建模（分子结构）

以构建 AB两嵌段共聚物 为例，在Device Studio的图形界面中，选中 Simulator → TOPS → TOPS，弹出TOPS界面如图8.9-2所示。

图8.9-2: TOPS界面

在8.9-2所示界面中，设置参数如图8.9-3中红色框选部分所示，点击 Preview 则可预览搭建好的 AB两嵌段共聚物 分子结构。

图8.9-3: TOPS构建 AB两嵌段共聚物 界面

编辑：黄飞