صفحه اصلی | ان آر تی سی | صفحه اصلی<

ATK :

بسته نرم افزارکوانتومی است که توانایی منحصری در شبیه سازی نانو ساختارهای الکترونی و محاسبات انتقال الکترونی آنها دارد. این نرم افزار به طور گسترده ای در مراکز پژوهشی و صنعتی در سرتاسر دنیا مورد استفاده است به طوریکه از سال 2006 بیش از 600 مقاله علمی با استفاده از این نرم افزار ارائه شده است. تعداد قابل قبولی از این مقالات در توافق خوبی با نتایج آزمایشگاهی هستند. این نرم افزار با Graphical User Interface(GUI) پیشرفته ، بهره گیری از زبان Python و توانایی مناسب برای تبادل داده ها با سایر نرم افزارهای کوانتومی به عنوان یک نرم افزار user friendly معرفی می شود.

در یک توصیف کلی ATK-VNL ابزار ایده آلی برای آموزش مفاهیم اساسی نانو تکنولوژی و فیزیک حالت جامد است.
   • الکترونیک مولکولیNano wires, diodes, transistors(FET, SET), logic cells, …
   • اسپینترونیک
   • الکترونیک کربن ( گرافن و نانولوله)
   • اتصالات نیمه هادی- فلز
   • اتصالات تونلزنی مغناطیسی
از جمله زمینه های مطالعاتی جذاب با این بسته می باشند. در ادامه، اطلاعات جزیی تری در نواحی کاربرد ویژه این بسته داده می شود:
   • مطالعه مشخصات ساختار الکترونی
شامل مطالعه نوارهای انرژیband structure، چگالی حالت های انرژی density of states، real- space density، حالت های بلاخ Bloch statesو سایر ویژ گی های مرتبط است.
   • مطالعه مشخصات انتقال الکترونی
شامل مطالعه نمودار جریان- ولتاژ، طیف عبور transmission spectrum ، هدایت conductance، هامیلتونی خودسازگار تصویر شده مولکولی(MPSH)، voltage drop و سایر ویژگیهای مرتبط است.
   • در بسته نرم افزاریVNL روش های محاسباتی انتقال الکترونی و اسپینی مبتنی بر تابع گرین غیر تعادلی (NEGF)، ترکیب شده با سایر روشهای محاسباتی قدرتمند مانند نظریه تابعی چگالی(DFT) و روشهای نیمه تجربی بستگی قوی (semi empirical tight-binding) است که به طور گسترده ای در مطالعات مربوط به اتصالات مولکولی به کار برده می شود. محاسبات مشخصات انتقالات الکترونی در اثر ولتاژ شامل محاسبات خودسازگار با شرایط مرزی باز خواهد بود که شامل تعیین ماتریس چگالی و پتانسیل خودسازگار در فضای حقیقی خواهد بود. این روش در مقالات زیادی توصیف شده است.

دوره ی آموزشی ATK-VNL

دوره ی آموزشی ATK-VNL تحت ویندوز بوده و در دو سطح مقدماتی و پیشرفته برگزار می شود. مباحث آموزشی در هر سطح به شرح زیر است:

سطح مقدماتی:

   • آشنایی با نرم افزار VNL و بخشهای مختلف آن
   • آشنایی بار وش NEGF-DFT
   • آماده سازی و مطالعه انتقال الکترونی در یک اتصال مولکولی به صورت : فلز| ملکول| فلز
   • تحلیل نتایج با مطالعات
   • electronic structure of the isolated molecules
   • transmission spectrum, transmission pathway
   • (molecular projected self-consistent Hamiltonian (MPSH
   • (density of states (DOS & PDOS
   • and electrostatic difference potential

سطح پیشرفته:

   • آماده سازی و مطالعه انتقال الکترونی در سیستم های پیشرفته از جمله گرافن و نانولوله ها (carbon, MoS2,…)
   • آماده سازی و مطالعه انتقال الکترونی در Graphene-metal interface
   • آماده سازی و مطالعه اتصالات تونلزنی مغناطیسی
   • آماده سازی و مطالعه ترانزیستورهای اثر میدان (field effect transistors (FETs
   • آماده سازی و مطالعه ترانزیستورهای تک الکترون (single electron transistors (SETs
   • اسپینترونیک
   • لازم به ذکر است آماده سازی هر ساختار شامل ایجاد یک فایل Editor است که به عنوان یک Python script معرفی خواهد شد.

WIEN2K :

بسته نرم افزاری WIEN2K امکان انجام محاسبات ساختار الکترونی جامدات را با استفاده از نظریه تابعی چگالی فراهم می آورد. این نرم افزار بر مبنای روش موج تخت تقویت شده خطی با پتانسیل کامل است که یکی از دقیق ترین روش ها برای محاسبه ساختار نواری به شمار می آید. با استفاده از این نرم افزار می توان ساختارهای بلوری و نیز نانو ساختارها را شبیه سازی کرده و بسیاری از خصوصیات فیزیکی آن ها را پیشگویی کرد.

قابلیت های نرم افزار

    تولید ساختارهای بلوری و نانوساختار ها
    >   رسم ساختار نواری انرژی
    >   رسم چگالی حالت ها
    >   رسم چگالی الکترونی ساختار
    >   رسم طیف پرتو ایکس
    >   بررسی و محاسبه خواص مغناطیس
    >   بررسی و محاسبه خواص اپتیکی

اهداف کارگاه

هدف از برگزاری این کارگاه آموزش مفاهیم پایه ای نظریه تابعی چگالی و نیز آشناسازی شرکت کنندگان با نرم افزار wien2k در سطح مقدماتی می باشد. بدین منظور این کارگاه در دو بخش ارائه خواهد شد. بخش اول برای افرادی که در زمینه نظریه تابعی چگالی و شروع به کار با نرم افزار چندان آکاهی ندارند مفید خواهد بود. در بخش دوم از کارگاه تولید نانوساختارها و نیز محاسبه برخی خواص فیزیکی با استفاده از این نرم افزار ارائه خواهد شد. علاقمندان می توانند با توجه به نیاز در یکی و یا هر دو بخش شرکت کنند.

بخش اول

*   آشنایی با نظریه تابعی چگالی
*   تولید ساختار در حالت انبوهه
*   انجام محاسبات اولیه
*   انجام تست های همگرایی
*   بهینه سازی حجم
*   رسم چگالی حالت ها
*   رسم ساختار نواری
بخش دوم

*   آشنایی با نانوساختارها
*   آشنایی با تکنیک سوپرسل
*   تولید نانوساختارها
*   انجام محاسبات اولیه
*   بررسی خواص مغناطیسی
*   بررسی خواص اپتیکی

OpenMX :

بسته نرم افزاری متن باز، برای محاسبات سیستم‌های نانومقیاس و برپایه نظریه تابعی چگالی با استفاده از شبه پتانسیل‌های نرم‌کنسرواتیو و اربیتال‌های شبه اتمی جایگزیده می‌باشد.  متد ها و الگوریتم‌های استفاده شده برای محاسبات در بسته نرم افزاری OpenMX با دقت فراوان مخصوص محاسبات موازی بر پایه‌ی اصول اولیه برای سیستم‌های نانو مقیاس به ویژه سیستم‌هایی با تعداد اتم های فراوان در حدود چند هزار اتم طراحی شده است. از بسته OpenMX می‌توان برای محاسبه خواص ساختاری، الکتریکی، مغناطیسی و ترابردی بلورها و حتی مولکول‌ها و مواد بر پایه کربن و همچنین مولکول های زیستی بهره جست. علاوه بر این OpenMX دارای قابلیت محاسبه منحنی جریان ولتاژ در سیستم های ترابردی است. از جمله نقاط قوت OpenMX بهره جستن از شبه پتانسیل‌های نسبیتی می‌باشد که قابلیت محاسبات نسبیتی را نیز فراهم می‌آورد.

به عنوان مثال محاسبات مربوط به ساختار نواری و خواص مغناطیسی مواد عایق جدید که به عایق های توپولوژیکی معروف هستند با استفاده از OpenMX به سادگی و با دقت بالا امکانپذیر است. به علاوه محاسبات ترابردی آن‌ها (در حالت اجرای موازی) نیز با سرعت و دقت بیشتر ار بسته‌های نرم افزاری مشابه انجام می‌شود. بهره جستن از شبه پتانسیل‌های نسبیتی مزیتی قابل ملاحضه می‌باشد که امکان بررسی خواص فیزیکی  از جمله خواص ترابردی موادی که در آن‌ها برهمکنش‌های نسبیتی قابل ملاحظه است را فراهم می‌آورد، این در صورتی است که پکیج های مشابه مانند Siesta قادر به محاسبه خواص فیزیکی در حضور برهمکنش‌های نسبیتی نمی‌باشد.

قابلیت های بسته نرم افزاری OpenMX

• محاسبه انرژی کل سیستم و نیروی وارد بر اتم ها
• محاسبات بر پایه تقریب های GGA و LDA-LSDA-Noncolinear-LSDA برای محاسبات اصول اولیه از قبیل ساختار نواری، خواص ترابردی و مغناطیسی
• محاسبات ساختار نواری و خواص ترابردی بر پایه روش LDA+U
• بهینه‌سازی شبه پتانسیل‌ها با روش وردشی برای ساختار مورد مطالعه
• محاسبات تمام نسبیتی برای سیستم‌های دارای اثرات نسبیتی
• محاسبات ساختار نواری و خواص الکترونی و ترابردی برپایه روش Non-collinear DFT
• محاسبه قطبش ماکروسکوپیکی و فاز بری
• استفاده از روش (Krylov subspace method for O(N) and Divide-conquer (DC برای محاسبه ویژه مقادیر انرژی
• محاسبه پارامتر برهمکنش تبادلی
• اسکن تصاویر میکروسکوپ تونل زنی (STM)
• دوپینگ بار الکتریکی
• محاسبه خواص الکترونی و مغناطیسی و خواص ترابردی در حضور میدان الکتریکی یکنواخت
• بهینه سازی ساختار شبکه
• محاسبات ترابردی در حضور بر همکنش‌های نسبیتی و اسپین مدار با استفاده از روش تابع گرین غیر تعادلی
• بررسی برهمکنش اسپین-مدار
• تولید توابع جایگزیده ونیر و محاسبه قدرت هاپینگ بین اتم‌ها در ساختارهای مختلف
• محاسبه دینامیک مولکولی
• محاسبه چکالی حالت جزئی و چگالی حالت کل
• قابلیت اجرای موازی
• تولید فایل‌های خروجی سازگار با فرمت های Xcrysden – Vesta

از مهمترین قابلیت‌های بسته نرم افزاری OpenMX می‌توان به سرعت قابل ملاحظه محاسبات در عین دارا بودن دقت بالای آن اشاره کرد.

 

مقایسه OpenMX با VASP و Wien2k
بسته نرم افزاری Openmx تحت زبان C نوشته شده است و به راحتی بر روی سیستم عامل‌های آرپی‌ام و دبیان لینوکس نصب می شود. از خصوصیات بارز بسته نرم‌افزاری Openmx می‌توان به سرعت و دقت بالای آن اشاره نمود. به طوری که نتایج این بسته نرم افزاری قابل مقایسه با نتایج VASP می‌باشد. همچنین Openmx بسیار شبیه به بسته نرم‌افزاری SIESTA می‌باشد. با این حال دارای قابلیت‌های بیشتری نسبت به SIESTA در زمینه برهم‌کنش‌های نسبیتی و خواص ترابردی است. بسته نرم‌افزاری SIESTA به دلیل دارا نبودن شبه پتانسیل‌های نسبیتی امکان بررسی موادی که در آنها اثرات نسبیتی قوی است نمی‌باشد. در این قسمت سعی خواهیم کرد که مقایسه اجمالی بین Openmx و VASP و Wien2k ارائه کنیم.

Lithium iron silicate
به عنوان مثال برای سیستمی lithium iron silicate که در آن انرژی برهمکنش لیتیم مورد نظر بود، بعد از انتخاب پارامتر Smearing , mixing parameters , الگوریتم محاسبه در دمای 1000K برای بسته محاسباتی Openmx به صورت زیر تنظیم شد در صورتی که بسته VASP از تنظیمات ALGO=fastبرای محاسبه استفاده کرد.

scf.Mixing.Type rmm-diisk
scf.maxIter 100
scf.Init.Mixing.Weigth 0.01
scf.Min.Mixing.Weight 0.001
scf.Max.Mixing.Weight 0.100
scf.Kerker.factor 10.0
scf.Mixing.StartPulay 15
scf.Mixing.History 30
scf.ElectronicTemperature 1000.0

محاسبات به صورت خودسازگار انجام شد. بسته نرم افزاری VASP بعد از ۵۳ بار تکرار حلقه خودسازگار به مرحله همگرایی رسید و Openmx بعد از ۶۲ بار تکرار به مرحله همگرایی رسید.

نانو تیوب کربن با تعداد ۵۱۲ اتم کربن
در مرحله بعدی محاسبات را برای نانوتیوب کربنی شامل ۵۱۲ اتم کربن انجام شد که در آن مقادیر و پارامترهای زیر برای

:Openmx
<Definition.of.Atomic.Species
C C6.0-s2p2d1 C_PBE13
H H6.0-s2p2d1 H_PBE13
<Definition.of.Atomic.Species

در نظر گرفته شده بود و برای VASP پارامتر‌ها به صورت زیر بودند.

ENCUT=300
ENMAX= 400 eV
ALGO=fast
PREC=Normal

Openmx بعد از ۶۴ بار تکرار حلقه همگرا شد و VASP بعد از ۳۴ بار تکرار. محاسبات به صورت spin-polarized در نظر گرفته شده بود. بعد از اتمام محاسبات نتیجه ممان مغناطیسی بدست آمد از Openmx دقیقا برابر با نتیجه VASP بود.
با این حال اگر محاسبات را به صورت موازی انجام دهیم آن روی سکه که نقطه قوت Openmx است ظاهر خواهد شد. در قسمت قبلی مشاهده کردیم که نتایج بدست آمده از Openmx دقیقا برابر با VASP می باشد. در این قسمت می خواهیم مقایسه ای بین سرعت آنجام محاسبات در Openmx و VASP انجام دهیم . نمودارهای زیر مقایسه‌ای بین سرعت انجام محاسبات برای این دو بسته نرم افزاری انجام می دهد.

 

OpenMXChart

در این لینک مقایسه ای بین محاسبه ساختار نواری محاسبه شده توسط Wien2k و Openmx انجام شده است. برای مشاهده ساختار نواری اتم مورد نظر در ساختار‌های آورده شده کافیست روی اتم مورد نظر کلیک کنید و نتایج قابل مشاهده خواهد بود.
Openmx در عین رایگان بودن و متن باز بودن از لحاظ دقت محاسبات با VASP و Wien2k برابری می کند ولی Openmx در محاسبه به صورت موازی دارای سرعت انجام محاسبات بسیار بیشتری از VASP و Wien2k می باشد.

 دوره ی آموزشی Openmx

دوره ی آموزشی Openmx در دو سطح مقدماتی و پیشرفته برگزار می شود. مباحث آموزش داده شده در هر سطح به شرح زیر می باشد:


سطح مقدماتی:
• اهمیت و جایگاه فیزیک/شیمی محاسباتی.
• نصب بسته محاسباتی آیفورت و Openmx
• نحوه‌ی ورودی نویسی و معرفی ساختار مورد نظر Openmx و انجام تنظیمات اولیه.
• بهینه‌سازی ساختار مورد مطالعه و محاسبه طول و زوایای پیوندی و شکل کلی ساختار با استفاده از تقریب های LDA-GGA-LSDA- Noncolinear LSDA
• آموزش طریقه رسم و مشاهده چگالی بار و اسپین با استفاده از نرم افزارهای Vesta-Xcrysden
• آموزش محاسبه ساختار نواری و چگالی حالت کلی و چگالی حالت جزیی
• آموزش محاسبه جریان ولتاژ و خواص ترابردی

سطح پیشرفته:
• بررسی اثر میدان الکتریکی و مغناطیسی یکنواخت
• بررسی خواص ترابردی در حضور بر همکنش اسپین – مدار و خواص اسپینترونیکی
• بررسی محاسبه توابع جاگزیده و نیز و محاسبه انرزی جایگاهی و هاپینگ بین اتم ها
• بهینه سازی شبه پتانسیل در ساختار مورد نظر با استفاده از روش وردشی
• بررسی بر همکنش هابارد
• بررسی دینامیک مولکولی و استفاده از آن برای بهینه سازی شبکه