各计算材料软件的优势.docx

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各计算材料软件的优势

不同计算材料软件的模块与优势

理工院13级物理学徐飞鸿学号13345028

日期：

2015年10月29日

MaterialsStudio：

　　MaterialsStudio是ACCELRYS公司专门为材料科学领域研究者所涉及的一款可运行在PC上的模拟软件。

它可以帮助你解决当今化学、材料工业中的一系列重要问题。

支持Windows98、NT、Unix以及Linux等多种操作平台的MaterialsStudio使化学及材料科学的研究者们能更方便的建立三维分子模型，深入的分析有机、无机晶体、无定形材料以及聚合物。

　　多种先进算法的综合运用使MaterialStudio成为一个强有力的模拟工具。

它可以进行性质预测、聚合物建模还是X射线衍射模拟，操作简单，并且得到的数据切实可靠。

灵活方便的Client-Server结构还是的计算机可以在网络中任何一台装有NT、Linux或Unix操作系统的计算机上进行，从而最大限度的运用了网络资源。

ACCELRYS的软件使任何的研究者都能达到和世界一流工业研究部门相一致的材料模拟的能力。

模拟的内容囊括了催化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性等材料科学研究领域的主要课题。

模块简介：

　　MaterialsStudio采用了大家非常熟悉的Microsoft标准用户界面，允许用户通过各种控制面板直接对计算参数和计算结果进行设置和分析。

目前，MaterialsStudio软件包括如下功能模块：

　　MaterialsVisualizer:

　　提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模型所需要的所有工具，可以操作、观察及分析结构模型，处理图表、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具以及支持MaterialsStudio的其他产品。

是MaterialsStudio产品系列的核心模块。

　　Discover:

　　MaterialsStudio的分子力学计算引擎。

使用多种分子力学和动力学方法，以仔细推导力场作为基础，可准确地计算出最低能量构型、分子体系的结构和动力学轨迹等。

　　COMPASS:

　　支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力场。

是第一个由凝聚态性质以及孤立分子的各种从头算和经验数据等参数化并经验证的从头算力场。

可以在很大的温度、压力范围内精确地预测孤立体系或凝聚态体系中各种分子的结构、构象、振动以及热物理性质。

　　AmorphousCell:

　　允许对复杂的无定型系统建立有代表性的模型，并对主要性质进行预测。

通过观察系统结构和性质之间的关系，可以对分子的一些重要性质有更深入的了解，从而设计出更好的新化合物和新配方。

可以研究的性质有：

内聚能密度（CED）、状态方程行为、链堆砌以及局部链运动等。

　　Reflex:

　　模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。

可以帮助确定晶体的结构，解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。

模拟的图谱可以直接与实验数据比较，并能根据结构的改变进行即时的更新。

包括粉末衍射指标化及结构精修等工具。

　　ReflexPlus:

　　是对Reflex的完善和补充，在Reflex标准功能基础上加入了已被广泛验证的PowderSolve技术。

ReflexPlus提供了一套可以从高质量的粉末衍射数据确定晶体结构的完整工具。

　　Equilibria:

　　可计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的相图，溶解度作为温度、压力和浓度的函数也可同时得到，还可计算单组分体系的virial系数。

适用领域包括石油及天然气加工过程（如凝析气在高压下的性质）、石油炼制（重烃相在高压下的性质）、气体处理、聚烯烃反应器（产物控制）、橡胶（作为温度和浓度的函数的不同溶剂的溶解度）。

　　DMol3:

　　独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，是唯一的可以模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域。

可用于研究均相催化、多相催化、分子反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热、混合热等性质。

　　CASTEP:

　　先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种材料，可研究：

晶体材料的性质（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度）、晶体的光学性质、点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩展缺陷（晶粒间界、位错）、体系的三维电荷密度及波函数等。

　　MaterialsStudio软件的优点：

　　1、MaterialsStudio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。

支持Windows98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台。

　　2、MaterialsStudio软件采用灵活的Client-Server结构。

其核心模块Visualizer运行于客户端PC，支持的操作系统包括Windows98、2000、NT;计算模块（如Discover）

　　3、Amorphous，Equilibria，DMol3，CASTEP等）运行于服务器端，支持的系统包括Windows2000、NT、SGIIRIX以及RedHatLinux。

　　4、投入成本低，易于推广。

浮动许可（FloatingLicense）机制允许用户将计算作业提交到网络上的任何一台服务器上，并将结果返回到客户端进行分析，从而最大限度地利用了网络资源，减少了硬件投资。

Wien2K：

　　用密度泛函理论（DFT）计算固体的电子结构。

它基于键结构计算最准确的方案——完全势能（线性）增广平面波（（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）。

WIEN2000使用全电子方案，包含相对论影响。

功能

　　1、计算固体特性。

　　2、键能和态密度，电子密度和自旋密度，X射线结构因子，Baders的“分子中的原子”概念，总能量，力，平衡结构，结构优化，分子动力学，电场梯度，异构体位移，超精细场，自旋极化（铁磁性和反铁磁性结构），自旋-轨道耦合，X射线发射和吸收谱，电子能量损失谱计算固体的光学特性。

　　3、费米表面。

　　4、LDA，GGA，meta-GGA，LDA+U，轨道极化。

　　5、中心对称和非中心对称晶格，内置230个空间群。

　　6、图形用户界面和用户指南。

　　7、友好的用户环境W2web（WIENtoWEB）可以很容易的产生和修改输入文件

　　8、帮助用户执行各种任务（如电子密度，态密度等。

　　平台：

Unix/Linux。

Gaussian：

　　Gaussian是目前计算化学领域内最流行、应用范围最广的商业化量子化学计算程序包。

Gaussian软件的出现降低了量子化学计算的门槛，使得从头计算方法可以广泛使用，从而极大地推动了其在方法学上的进展。

其可执行程序可在不同型号的大型计算机，超级计算机，工作站和个人计算机上运行，并相应有不同的版本。

到目前为止，Gaussian已经推出了12个版本，包括Gaussian70、Gaussian76、Gaussian80、Gaussian82、Gaussian86、Gaussian88、Gaussian90、Gaussian92、Gaussian92/DFT、Gaussian94、Gaussian98、Gaussian03等，其版本数字也是该版本发布的年份。

其中，每个版本发布后，还陆续发布了一些这些版本的修订版。

目前最新的版本是Gaussian03RevisionD.01/D.02。

　　Gaussian程序是用FORTRAN语言编写的，它从量子力学的基本原理出发，可计算能量、分子结构、分子体系的振动频率以及大量从这些基本计算方法中导出的分子性质。

它能用于研究不同条件下的分子和反应，包括稳定的粒子和实验上难以观测的化合物，例如瞬时的反应中间物和过渡结构。

　　Gaussian的并行模式是采用OpenMP来实现的。

OPENMP的并行实现是针对共享内存的机器的，实现方法简单。

因此Gaussian在共享内存的机器上，能获得很好的性能。

对于跨节点的计算，Gaussian使用TCPLinda软件来实现。

TCPLinda是一个虚拟共享内存的并行执行环境，它可以把一个通过网络连接的分布式内存的机群或工作站虚拟成共享内存环境，从而使像Gaussian这样的用OPENMP实现并行的程序能够在分布式内存的机器上运行。

　　功能

　　1、分子能量和结构

　　2、过渡态能量和结构

　　3、键和反应能量

　　4、分子轨道

　　5、多重矩

　　6、原子电荷和电势

　　7、振动频率

　　8、红外和拉曼光谱

　　9、核磁性质

　　10、极化率和超极化率

　　11、热力学性质

　　12、反应路径

　　计算可以对体系的基态或激发态执行。

可以预测周期体系的能量，结构和分子轨道。

因此，Gaussian可以作为功能强大的工具，用于研究许多化学领域的课题，例如取代基的影响，化学反应机理，势能曲面和激发能等等。

　　Gaussian03介绍

　　Gaussian03在化学、化工、生物化学、物理化学等化学相关领域方面的功能都进行了增强。

　　1、研究大分子的反应和光谱

　　Gaussian03对ONIOM做了重大修改，能够处理更大的分子（例如，酶），可以研究有机体系的反应机制，表面和表面反应的团簇模型，有机物光化学过程，有机和有机金属化合物的取代影响和反应，以及均相催化作用等。

　　ONIOM的其它新功能还有：

定制分子力学力场;高效的ONIOM频率计算;ONIOM对电、磁性质的计算。

　　2、通过自旋-自旋耦合常数确定构像

　　当没有X-射线结构可以利用时，研究新化合物的构像是相当困难的。

NMR光谱的磁屏蔽数据提供了分子中各原子之间的连接信息。

自旋-自旋耦合常数可用来帮助识别分子的特定构像，因为它们依赖于分子结构的扭转角。

　　除了以前版本提供的NMR屏蔽和化学位移以外，Gaussian03还能预测自旋-自旋耦合常数。

通过对不同构像计算这些常数，并对预测的和观测的光谱做比较，可以识别观测到的特定构像。

另外，归属观测的峰值到特定的原子也比较容易。

　　3、研究周期性体系

　　Gaussian03扩展了化学体系的研究范围，它可以用周期性边界条件的方法（PBC）模拟周期性体系，例如聚合物和晶体。

PBC技术把体系作为重复的单元进行模拟，以确定化合物的结构和整体性质。

例如，Gaussian03可以预测聚合物的平衡结构和过渡结构。

通过计算异构能量，反应能量等，它还可以研究聚合物的反应，包括分解，降解，燃烧等。

Gaussian03还可以模拟化合物的能带隙。

　　PBC的其它功能还有：

（1）二维PBC方法可以模拟表面化学，例如在表面和晶体上的反应。

用同样的基组，Hartree-Fock或DFT理论方法还可以用表面模型或团簇模型研究相同的问题。

Gaussian03使得对研究的问题可以选择合适的近似方法，而不是使问题满足于模块的能力极限。

（2）三维PBC：

预测晶体以及其它三维周期体系的结构和整体性质。

　　4、预测光谱

　　Gaussian03可以计算各种光谱和光谱特性。

包括：

IR和Raman;预共振Raman;紫外-可见;NMR;振动圆形二色性（VCD）;电子圆形二色性（ECD）;旋光色散（ORD）;谐性振-转耦合;非谐性振动及振-转耦合;g张量以及其它的超精细光谱张量。

　　5、模拟在反应和分子特性中溶剂的影响

　　在气相和在溶液之间，分子特性和化学反应经常变化很大。

例如，低位构像在气相和在（不同溶剂的）溶液中，具有完全不同的能量，构像的平衡结构也不同，化学反应具有不同的路径。

Gaussian03提供极化连续介质模型（PCM），用于模拟溶液体系。

这个方法把溶剂描述为极化的连续介质，并把溶质放入溶剂间的空穴中。

　　Gaussian03的PCM功能包含了许多重大的改进，扩展了研究问题的范围：

可以计算溶剂中的激发能，以及激发态的有关特性;NMR以及其它的磁性能;用能量的解析二级导数计算振动频率，IR和Raman光谱，以及其它特性;极化率和超极划率;执行性能上的改善。

　　G03W的界面和G98W相比，没有什么变化，G98W的用户不需要重新熟悉界面。

　　Gaussian新增内容

　　1、新的量子化学方法

（1）ONIOM模块做了增强

　　对ONIOM（MO:

MM）计算支持电子嵌入，可以在QM区域的计算中考虑MM区域的电特性。

　　通过算法的改善，ONIOM（MO:

MM）对大分子（如蛋白质）的优化更快，结果更可靠。

　　ONIOM（MO:

MM）能够计算解析频率，ONIOM（MO:

MO）的频率计算更快。

　　提供对一般分子力场（MM）的支持，包括读入和修改参数。

包含了独立的MM优化程序。

　　支持任何ONIOM模拟的外部程序。

（2）修改和增强了溶剂模块

　　改善和增强了连续介质模型（PCM）：

　　默认是IEFPCM模型，解析频率计算可以用于SCRF方法。

此外改善了空穴生成技术。

　　模拟溶液中的很多特性。

　　可以对Klamt的COSMO-RS程序产生输入，通过统计力学方法，用于计算溶解能，配分系数，蒸汽压，以及其它整体性质。

　　（3）周期性边界条件（PBC）

　　增加了PBC模块，用于研究周期体系，例如聚合物，表面，和晶体。

PBC模块可以对一维、二维或三维重复性分子或波函求解具有边界条件的Schrodinger方程。

周期体系可以用HF和DFT研究能量和梯度;

　　（4）分子动力学方法

　　动力学计算可以定性地了解反应机制和定量地了解反应产物分布。

计算包含两个主要近似：

　　Born-Oppenheimer分子动力学（BOMD）,对势能曲面的局域二次近似计算经典轨迹。

计算用Hessian算法预测和校正走步，较以前的计算在步长上能够改善10倍以上。

还可以使用解析二级导数，BOMD能够用于所有具有解析梯度的理论方法。

　　提供原子中心密度矩阵传播（ADMP）分子动力学方法，用于Hartree-Fock和DFT。

吸取了Car和Parrinello的经验，ADMP传递电子自由度，而不是求解每个核结构的SCF方程。

与Car-Parrinello不同之处在于，ADMP传递密度矩阵而不是MO。

如果使用了原子中心基组，执行效率会更高。

这一方法解决了Car-Parrinello存在的一些限制，例如，不再需要用D代替H以获得能量守恒，纯DFT和混合DFT均可使用。

ADMP也可以在溶剂存在的情况下执行，ADMP可以用于ONIOM（MO:

MM）计算。

　　（5）激发态

　　激发态计算方面做了增强。

由于改善了在完全组态相互作用计算中求解CI矢量的算法，提高了CASSCF执行效率。

对能量和梯度计算可以使用约14个轨道（频率计算仍是8个）。

　　限制活性空间（RAS）的SCF方法。

RASSCF把分子轨道分成五个部分：

最低的占据轨道（计算中作为非活性轨道考虑），计算中作为双占据的RAS1空间，包含对所研究问题非常重要分子轨道的RAS2空间，弱占据的RAS3空间，以及未占据轨道（计算中做冻结处理）。

因此，CASSCF在RAS计算中分成三个部分，考虑的组态通过定义RAS1空间允许的最少电子数和RAS3空间允许的最多电子数，以及三个RAS空间电子总数来产生。

　　NBO轨道可用于定义CAS和RAS活性空间。

对于对应成键/孤对电子的反键轨道可以提供相当好的初始猜测。

　　对称性匹配簇/组态相互作用（SAC-CI）方法，用于有机体系激发态的高精度计算，研究两个或更多电子激发的过程（例如电离谱的扰动），以及其它的问题。

　　CIS，TD-HF和TD-DFT的激发态计算中可以考虑溶剂影响。

　　2、新的分子特性

（1）自旋-自旋耦合常数，用于辅助识别磁谱的构像。

（2）g张量以及其它的超精细光谱张量，包括核电四次常数，转动常数，四次离心畸变项，电子自旋转动项，核自旋转动项，偶极超精细项，以及Fermi接触项。

所有的张量可以输出到Pickett的拟合与光谱分析程序。

　　（3）谐性振-转耦合常数。

分子的光谱特性依赖于分子振、转模式的耦合。

可用于分析转动谱。

　　（4）非谐性振动及振-转耦合。

通过使用微扰理论，更高级的项可以包含到频率计算中，以产生更精确的结果。

　　（5）预共振Raman光谱，可以产生基态结构，原子间连接，以及振动态的信息。

　　（6）旋光性以及旋光色散，通过GIAO计算，用于识别手性体系的异构体。

　　（7）电子圆二色性（ECD）。

这一特性是光学活性分子在可见-紫外区域的差异吸收，用于归属绝对构型。

预测的光谱还可用于解释已存在的ECD数据和归属峰位，

　　（8）含频极化和超极化，用于研究材料的分子特性随入射光波长的变化。

　　（9）用量度无关原子轨道（GIAO）方法计算磁化率，它类似于电极化率，用于研究分子的顺磁/反磁特性。

　　（10）预测气相和在溶剂中的电、磁特性和光谱。

　　（11）ONIOM预测电、磁特性。

　　3、新增加的基本算法

（1）更好的初始轨道猜测。

Gaussian03使用Harris泛函产生初始猜测。

这个泛函是对DFT非迭代的近似，它产生的初始轨道比Gaussian98要好，例如，对有机体系有所改善，对金属体系有明显改善。

（2）新的SCF收敛算法，几乎可以解决以前所有的收敛问题。

对于其它极少数的不收敛情况，Gaussian03提供了Fermi展宽和阻尼方法。

　　（3）纯DFT计算的密度拟合近似。

这一近似在计算库仑相互作用时，把密度用一组原子中心函数展开，而不是计算全部的双电子积分。

它用线性换算的算法，对中等体系的纯DFT计算可以极大地提高计算效率，而又不损失多少精度。

Gaussian03可以对AO基自动产生合适的拟合基，也可以选择内置的拟合基。

　　（4）更快的自动FMM方法，用于适中的体系（纯DFT约100个原子，混合DFT约150个原子）。

　　（5）对纯DFT使用更快的库仑能算法，节省库仑问题的CPU时间。

　　（6）O（N）更精确的交换能量项。

在Hartree-Fock和DFT计算中，通过删除密度矩阵的零值项来屏蔽精确的交换贡献。

这可以节省时间，而又不损失精度。

　　4、新增功能：

（1）新的密度泛函：

OPTX交换，PBE和B95相关，VSXC和HCTH纯泛函，B1及其变体B98，B97-1，B97-2，PBE1PBE混合泛函。

（2）高精度能量方法：

G3及其变体，W1方法。

另外还包含W1BD，它用BD代替耦合簇，比CBS-QB3和G3更精确，当然计算也更加昂贵。

　　（3）对重元素全电子基组计算的Douglas-Kroll-Hess标量相对论修正，用于当ECP基组不能满足精度的情况。

　　（4）逼近基组极限的UGBS基组。

SIESTA（SpanishInitiativeforElectronicSimulationswithThousandsofAtoms）：

　　SIESTA是一种实现电子结构计算和第一性原理分子动力学模拟的程序，同时也是一种实现的方法。

　　软件功能：

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）的标准守恒赝势。

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Fortran90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模式。

　　软件主要有以下功能:

　　l总能量和部分能量

　　l原子力

　　l应力张量

　　l电偶极矩

　　l原子，轨道和键分析（Mulliken）

　　l电子密度

　　l几何松弛，固定或者改变晶胞

　　l常温分子动力学

　　l可变晶胞动力学（Parrinello-Rahman）

　　l自旋极化计算（共线或者非共线）

　　lBZ区的k-取样

　　l态的局域和轨道投影密度

　　l能带结构

　　l通过过滤或移到原子格点的方法平滑“蛋箱效应”

　　lHF和混和泛函

　　l用多格点方法对溶剂中的分子计算Poisson-Boltzman方程

　　l其它的线性标度方法

　　l增强的MD历史框架

　　Siesta3.0新增功能：

　　1.功能增強：

TranSiesta功能;主程序模块化;计算COOP/COHP/PDOS曲线的新程序，用于化学分析;优化基组、赝势的工具程序;新的过滤流程，用于减少蛋箱结构的影响。

　　2.新的工具：

新版本denchar;新的检查蛋箱脚本;赝势文件解释器;加入新的STM-图像代码;Python、Matlab、Octave语言的脚本工具。

　　3.新的功能：

更灵活的产生基组选项;正确处理带电表面;Ordejon-Mauri线性标度泛函支持奇数电子;PBEsol和Wu-Cohen泛函;优化的增强;新的分子力学框架，包括Grimme型vdW;任意k点。

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CASTEP1989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。

　　功能

　　一、VASP程序的亮点：

　　1、VASP使用PAW方法或超软赝势，因此基组尺寸非常小，描述体材料一般需要每原子不超过100个平面波，大多数情况下甚至每原子50个平面波就能得到可靠结果。

　　2、在平面波程序中，某些部分代码的执行是三次标度。

在VASP中，三次标度部分的前因子足可忽略，导致关于体系尺寸的高效标度。

因此可以在实空间求解势的非局域贡献，并使正交化的次数最少。

当体系具有大约2000个电子能带时，三次标度部分与其它部分可比，因此VASP可用于直到4000个价电子的体系。

　　3、VASP使用传统的自洽场循环计算电子基态。

这一方案与数值方法组合会实现有效、稳定、快速的Kohn-Sham方程自洽求解方案。

程序使用的迭代矩阵对角化方案（RMM-DISS和分块Davidson）可能是目前最快的方案。

　　4、VASP包含全功能的对称性代码，可以自动确定任意构型的对称性。

　　5、对称性代码还用于设定Monkhorst-Pack特殊点，可以有效计算体材料和对称的团簇。

Brillouin区的积分使用模糊方法或四面体方法。

四面体方法可以用Blöch