一些计算软件介绍

http://blog.sciencenet.cn/blog-588243-482123.html

ABINIT http://www.abinit.org/

ABINIT的主程序使用赝势和平面波, 用密度泛函理论计算总能量, 电荷密度, 分子和周期性固体的电子结构, 进行几何优化和分子动力学模拟, 用TDDFT(对分子)或GW近似(多体微扰理论)计算激发态. 此外还提供了大量的工具程序. 程序的基组库包括了元素周期表1-109号所有元素.
ABINIT适于固体物理, 材料科学, 化学和材料工程的研究, 包括固体, 分子, 材料的表面, 以及界面, 如导体、半导体、绝缘体和金属.

ADF http://www.scm.com/

ADF是专门作密度泛函计算的软件. 包括ADF和BAND两部分,
ADF部分的简介见下. BAND部分类似, 但专门用于计算周期性体系(晶体, 聚合物等).
ADF-GUI和BAND-GUI分别在图形界面下创建ADF和BAND的计算任务和图形显示结果.

ATOMISTIX TOOLKIT http://www.quantumwise.com/

Atomistix ToolKit (ATK)是一个能模拟纳米结构体系和纳米器件的电学性质和量子输运性质的第一性原理电子结构计算程序. 对于所模拟的纳米器件的电极, 它可以是纳米管或金属. 对于所模拟的纳米结构体系, 它可以是两种不同材料形成的界面区, 或界于两个金属表面之间的分子.
ATK是由Atomistix公司在McDCal、SIESTA和TranSIESTA等电子结构计算程序包的基础上根据现代软件工程原理开发出来的第一个商用的模拟电子输运性质的大型计算软件, 它的前身是TranSIESTA-C.基于密度泛函理论,
ATK实现了赝势法和原子轨道线性组合方法等现代电子结构计算方法. 在此基础上, 它利用非平衡格林函数方法来处理纳米器件在外置偏压下的电子输运性质. 因此它能处理纳米器件中的两个电极具有不同化学势时的情况,能计算纳米器件在外置偏压下的电流、穿过接触结的电压降、电子透射波和电子的透射系数等等.
ATK也实现了自旋极化的电子结构计算方法, 因此它也可以处理纳米器件中相关的磁性和自旋输运问题. 除此之外,
ATK也能进行传统的电子结构计算, 处理孤立的分子体系和具有周期性的体系. 另外ATK也采用非常有效和稳定的算法来精确地计算原子所受的力并优化体系的几何结构.

CP2K http://cp2k.berlios.de/

用于固态、液体、分子和生物体系的原子和分子模拟. 方法包括从第一定律密度泛函方法, 到参量化经典双体、多体势. 使用的交换-相关泛含有:
交换部分: Slater, VWN, Pade; Becke88, Perdew86, PBE; 相关部分:
VWN, Pade; LYP, Perdew86, PBE, 其中自旋极化只用于Becke88. CP2k包含Quickstep, 使用高斯基和平面波混合基组, 对大体系进行线性标度的密度泛函计算.

QUICKSTEP http://cp2k.berlios.de/quickstep.html

Quickstep是使用高斯基和平面波混合基组的DFT程序, 用于研究复杂大体系(如液体, 晶体, 蛋白质, 界面, 等). 它既可以模拟静态特性(如用TDDFT计算光谱, 总能量的导数特性), 也可以模拟动态特性(如基于分子动力学的弥散).
Quickstep是CP2k的一部分.

CPMD http://www.cpmd.org/

密度泛函平面波赝势代码, 用于分子动力学从头计算.

DL_POLY http://www.cse.scitech.ac.uk/ccg/software/DL_POLY/

DL_POLY是串行和并行分子动力学模拟软件包.
DL_POLY目前有两个版本. DL_POLY_2是原始版本, 用复制数据的方法并行化, 适用于在100个处理器上模拟三万个原子的情况;
DL_POLY_3的并行化使用区域分解, 适用于在8至1024个处理器上,模拟百万量级的原子. 对于一个DL_POLY许可, 同时提供两个版本.
DL_POLY还提供基于JAVA语言的图形用户界面.

ELK http://elk.sourceforge.net/

Elk是遵守GNU
GPL协议的FP-LAPW代码, 具有很多高级功能. 以前的名称叫EXCITING.

FLAPW http://flapw.com/

QMD公司的完全势线性缀加平面波(QMD-FLAPW)第一性原理量子力学软件包, 是固体密度泛函理论迄今最准确的实现.
QMD-FLAPW对二维和三维周期边界条件的材料体系执行准确的理论计算. QMD-FLAPW适于研究金属, 半导体和绝缘体,密堆积结构和开放结构, 可以处理周期表中的所有元素.
QMD-FLAPW克服了DFT在激发态处理上的失败. 自洽屏蔽交换LDA和模型GW选项为预测半导体和绝缘体带隙提供了工程精度, 可以不需要添加参数, 完全基于从头算法计算这些体系的光学光谱.

FLEUR http://www.flapw.de/fleur.html

完全势线性缀加平面波(FLAPW)代码. 这是一种密度泛函理论全电子方法, 普遍应用于周期表的全部原子和开壳层结构体系, 包括表面, 团簇和有机分子. 在固体物理中这是一种非常精确的电子结构方法, 甚至可以处理用赝势方法难以处理的体系.

GULP http://www.ivec.org/GULP/

GULP可以对三维周期性固体, 气相团簇和大体积材料中的孤立缺陷进行各种模拟. 通过使用壳模型,
GULP还可以处理分子固体和离子材料. 与其它模拟程序不同的是,
GULP对固体使用对称性从而简化输入, 加速计算. 这会有一个数量级的改善.
GULP现在已包含在Materials Studio软件包中.

GAUSSVIEW http://www.gaussian.com/

GaussView是Gaussian的图形用户界面, 用于观察分子, 设置和提交Gaussian计算任务, 显示结果.

GAUSSIAN http://www.gaussian.com/

Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件, 可以研究: 分子能量和结构, 过渡态的能量和结构, 化学键以及反应能量, 分子轨道, 偶极矩和多极矩, 原子电荷和电势, 振动频率, 红外和拉曼光谱,
NMR, 极化率和超极化率, 热力学性质, 反应路径. 计算可以模拟在气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态.
Gaussian 03还可以对周期边界体系进行计算. Gaussian是研究诸如取代效应,反应机理,势能面和激发态能量的有力工具.

LAMMPS http://www.cs.sandia.gov/~sjplimp/lammps.html

一般性分子模拟软件, 兼容当前大多数的势能模型, 可以模拟软材料和固体物理系统.

MAPS http://www.scienomics.com/

MAPS是一套模拟工具, 包括创建分子、周期结构和聚合物的模型, 高质量的OpenGL
3D显示功能, 以及模拟工具. 在图形用户界面GUI中: 控制ABINIT任务, 进行周期体系的量子力学计算; 控制MNDO任务, 进行大分子体系的半经验量子力学计算; 控制NAMD任务, 进行大分子体系的经典分子力学计算和分子动力学模拟; 控制Turbomole任务, 进行有限分子体系的高精度量子力学计算. 这些计算代码已经连接到MAPS的图形界面中, 可以选择远程服务器, 选择处理器个数, 和进行任务管理. 即使是新手, 也可以迅速地创建分子或晶体模型, 设定计算, 预测重要的分子特性, 如分子结构, 电子和光学特性,甚至是模拟动力学现象, 如反应和分子动力学性.

MATERIALS EXPLORER http://us.fujitsu.com/biosciences, http://software.fujitsu.com/jp/materials-explorer/

Materials Explorer是FUJITSU公司的一款拥有强大的分子动力学计算功能的软件包, 是结合应用领域来研究材料工程的有力工具.
Materials Explorer可以用来研究有机物、高聚物、生物大分子、金属、陶瓷材料、半导体等晶体、非晶体、溶液, 流体, 液体和气体相变、膨胀、压缩系数、抗张强度、缺陷等.
Materials Explorer软件中包含2Body, 3Body, EAM, AMBER等63个力场可供用户选择.
Materials Explorer软件拥有完美的图形界面, 方便使用者操作.

NANO-SCALE DEVICE SIMULATION http://www.ciss.iis.u-tokyo.ac.jp/rss21/en/result/download/index.php

纳米器件模拟程序包. 包含图形集成环境CHASE-3PT, 基于第一性原理赝势方法的能带计算程序PHASE, 赝势程序CIAO, 基于第一性原理赝势方法的介电性质分析程序UVSOR, 完全势全电子能带程序ABCAP, 紧束缚模型程序FXZTX, 疏运性质分析程序ASCOT, 以及混合模拟程序CAMUS-FSIS, 等. 使用手册为日文.

CHASE-3PT,
Nano-scale Device Simulation程序包的图形集成环境. 目前主要用于控制PHASE和相关的程序.

ABCAP,
Nano-scale Device Simulation程序包的基于第一性原理的全电子能带计算程序. 计算使用目前最准确的FLAPW方法, 可处理d-电子和f-电子体系.
ABCAP在应用中澄清了很多关于材料的电性和磁性问题.

ASCOT,
Nano-scale Device Simulation程序包的疏运性质分析程序, 用紧束缚模型和格林函数方法分析碳体系的疏运性质.可以计算传递系数和器件区域的态密度.

CAMUS-FSIS,
Nano-scale Device Simulation程序包的混合模拟程序, 可以对大型硅材料的子体系在各种理论层次(第一性原理、紧束缚和分子力学)下进行模拟. 第一性原理区域使用PHASE.

CIAO,
Nano-scale Device Simulation程序包的基于第一性原理的全电子原子轨道计算程序, 用fortran
90编写, 可用于从全电子势得到赝势. 这些赝势可用于第一性原理赝势PHASE程序计算和量子疏运计算(即将在CHASE-3PT中提供).
CIAO对电子态的算法与PHASE基本相同, 此外,
CIAO还能求解PHASE不能解决的问题, 如自旋-轨道耦合态, 自旋极化相对论态, 以及轨道间的库仑能.

FXZTX,
Nano-scale Device Simulation程序包的紧束缚模型能带计算程序.

PHASE,
Nano-scale Device Simulation程序包的基于第一性原理赝势方法的能带计算程序.

UVSOR,
Nano-scale Device Simulation程序包的介电性质分析程序. 程序基于第一性原理赝势方法, 可以计算材料的电子介电函数和格子介电函数.
UVSOR与PHASE共享输入文件, 计算基于PHASE的输出.

OCTOPUS http://www.tddft.org/programs/octopus/

激发电子-离子动力学的第一定律程序. 研究电子结构, 激发态动力学, 分子动力学等.

OPENMX http://www.openmx-square.org/

OpenMX是材料模拟程序包, 用于实现基于密度泛函理论的大标度从头计算. 在DFT计算中有三个部分是相当耗时的: 求解哈密顿矩阵元素, 求解泊松方程, 以及对角化广义久期方程. 而在OpenMX中, 根据计算量和内存, 几乎可以用O(N)标度完成每一步. 此外对于大标度的计算, 还支持用MPI共享内存的并行计算, 每个节点都是动态分配内存. 因此OpenMX是涵盖生物材料和复合材料的纳米尺度材料科学中, 有用而强大的工具. 计算使用赝原子轨道和赝势, 它们由ADPACK原子密度泛函程序计算产生.

PARSEC http://www.ices.utexas.edu/parsec/software/index.html

使用局域密度近似(LDA)的实空间网格电子结构计算代码, 计算使用赝势. 代码可以用含时密度泛函理论计算局部体系的光学特性. 对于团簇, 可以进行从头分子动力学计算. 代码目前还不支持并行计算.

QUANTUM-ESPRESSO http://www.quantum-espresso.org/

ESPRESSO意为“op(E)n
(S)ource (P)ackage for (R)esearch in (E)lectronic (S)tructure, (S)imulation, and (O)ptimization”. Quantum-ESPRESSO软件包基于密度泛函理论, 使用平面波基组和赝势. 它包含以下代码:

PWscf http://www.quantum-espresso.org/: 电子结构, 结构优化, 分子动力学, 振动特性和介电特性.

FPMD:
Car-Parrinello可变晶胞的分子动力学程序. 它基于R.
Car和M. Parrinello的原始代码.

CP:
Car-Parrinello可变晶胞的分子动力学程序. 它基于R.
Car和M. Parrinello的原始代码.

PWgui: 产生PWscf输入文件的图形用户界面.

atomic: 用于原子计算和产生赝势.

SIESTA http://www.icmab.es/siesta/

SIESTA用于分子和固体的电子结构计算和分子动力学模拟.
SIESTA使用标准的Kohn-Sham自恰密度泛函方法, 结合局域密度近似(LDA-LSD)或广义梯度近似(GGA). 计算使用完全非局域形式(Kleinman-Bylander)的模守恒赝势. 基组是数值原子轨道的线性组合(LCAO). 它允许任意个角动量, 多个zeta, 极化和截断轨道. 计算中把电子波函和密度投影到实空间网格中, 以计算Hartree和XC势, 及其矩阵元素. 除了标准的Rayleigh-Ritz本征态方法以外, 程序还允许使用占据轨道的局域化线性组合.使得计算时间和内存随原子数线性标度, 因而可以在一般的工作站上模拟几百个原子的体系. 程序用Fortran
90编写, 可以动态分配内存, 因此当要计算的问题尺寸发生改变时, 无需重新编译. 程序可以编译为串行和并行(需要MPI)模式.

SMEAGOL http://www.smeagol.tcd.ie/

Smeagol是基于密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数疏运方法(NEGF)的从头电子疏运代码, 用于计算原子标度器件的疏运特性.
Smeagol用DFT作为主要的电子结构工具. 非周期开放体系在NEGF方案中用Kohn-Sham方程求解, 接下来从Landauer公式获得电流.
Smeagol目前使用SIESTA作为DFT平台(需要另外申请).

VASP http://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/

VASP是使用赝势和平面波基组, 进行从头量子力学分子动力学计算的软件包, 它基于CASTEP
1989版开发. VAMP/VASP中的方法基于有限温度下的局域密度近似(用自由能作为变量)以及对每一MD步骤用有效矩阵对角方案和有效Pulay混 合求解瞬时电子基态. 这些技术可以避免原始的Car-Parrinello方法存在的一切问题, 而后者是基于电子、离子运动方程同时积分的方法. 离子和电 子的相互作用超缓Vanderbilt赝势(US-PP)或投影扩充波(PAW)方法描述. 两种技术都可以相当程度地减少过渡金属或第一行元素的每个原子 所必需的平面波数量. 力与张量可以用VAMP/VASP很容易地计算, 用于把原子衰减到其瞬时基态中.

VIRTUAL NANOLAB http://www.quantumwise.com/

Virtual NanoLab (VNL)是Atomistix
ToolKit (ATK)对应的图形界面软件, 它具有友好的图形界面操作环境, 以轻松进行纳米器件在原子尺度模拟的建模、计算和数据分析等可视化操作. 其中VNL的计算引擎是内嵌的ATK.
VNL中的操作流程与真实实验中的情况类似, 它为用户提供了多种工具并通过原子尺度模拟来轻松建立“虚拟的实验平台”: 构造纳米器件的原子几何结构、模拟器件的电子结构和电学性质. 目前发行的稳定版本包括了原子操作模块(Atomic
Manipulator)、纳米结构透视模块(Nanoscope)、晶体构造模块(Crystal
Grower)、纳米管构造模块(Nanotube Grower (Cupboard))和能谱计算模块(Energy
Spectrometer).

WEN2K http://www.wien2k.at/

用密度泛函理论计算固体的电子结构. 它基于能带结构计算最准确的方案——完全势(线性)缀加平面波(L)APW
+ 局域轨道(lo)方法. 在密度泛函中可以使用局域(自旋)密度近似(LDA)或广义梯度近似(GGA).
WIEN 2000使用全电子方案, 包含相对论影响.

WXDRAGON http://schmeling.ac.rwth-aachen.de/user/bernhard/wxdragon.html

用于分子/晶体图形显示和编写输入文件的图形界面程序.

XCRYSDEN http://www.xcrysden.org/

显示晶体和分子的结构和电子密度程序. 它还可以处理倒格子空间的特性, 如绘制能带结构图, 显示Fermi面, 等.