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zdhlover

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[交流] Atomistix Toolkit2008

Atomistix Toolkit2008
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计算程序

　　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。目前版本(2.0.4)的ATK采用C和C++高级语言来编写核心的库代码，即将在2006年12月发布的ATK2.1版本并在此基础上提供了Python脚本语言编写的各种函数接口，用户可以利用所提供的函数接口采用Python脚本语言来编写和实现特定的计算功能和数据处理。
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。
功能：

基于密度泛函理论，采用第一性原理电子结构计算方法自洽计算分子、周期结构和双电极体系的电子结构
2. 采用非平衡格林函数方法并结合复平面积分手段来计算纳米器件在外置偏压下的电流
3. 实现了局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)的交换关联函数，以及相关的自旋极化计算
4. 能计算自旋极化情况下的电流-电压(I-V)曲线和透射谱(T-Energy或G-Energy)等
5. 实现了Hoffmann-Muller发展的扩展Huckel方法
6. 实现了从SIESTA程序包中发展出来的局域数值轨道
7. 利用MPICH实现了并行计算的功能，特别是在输运性质计算、k点取样、能量积分和矩阵元计算中进行了优化处理
8. 能计算分子体系的分子能级（包括HOMO和LUMO能级）、分子轨道和HOMO-LUMO能隙
9. 能计算周期性体系的能带、布络赫(Bloch)波函数和费米能级等
10.能计算双电极体系的透射谱、本征通道、态密度、分子投影自洽哈密顿(MPSH)轨道和态密度实空间分布
11.能计算体系的电荷密度和有效势
12.能计算双电极体系的电流-电压(I-V)曲线
13.对周期性结构和双电极体系实现了Monkhorst-Pack k点取样方法
14.对透射谱和电流进行了k点取样的处理
15.通过在中心区施加外势场来近似处理门电压并模拟三端器件的电学性质
16.提供了元素周期表中从H(1)-Lr(103)各种元素的从头模守恒赝势
17.在电子结构自洽计算过程中，采用了Broyden或Pulay混合算法
18.基于密度泛函理论计算原子所受的力，并采用共轭梯度(CG)方法优化和驰豫原子位置，以及采用类似的方法来处理双电极体系在外置偏压情况下的几何结构优化问题
19.通过Fermi分布来指定电子气的温度
20.可处理双电极体系中的两端电极由不同材料组成时的情况
21.Mulliken布居分析
22.输入文件采用了自由、弹性和简单的文本格式
23.对计算结果按NetCDF格式输出
ATK(包括TranSIESTA-C)的成功应用案例：
1. 分子接触器件和隧道器件的I-V特征曲线
2. 分子电子器件的功放和转换性质
3. 分子线、半导体纳米线和碳纳米管的电子输运性质
4. 金属-纳米管接触结和纳米管-纳米管接触结的电阻和电容性质
5. 原子线中的电子迁移性质
6. 碳纳米管的场致发散性质
7. MOS器件中漏电流问题
8. 界面处的自旋输运问题和磁阻效应的计算
9. 生物体系中电荷转移问题

ATK 2008 的新功能：

目前ATK可以采用像IPython一样的交互方式。
支持初始化一个新的基于密度矩阵（以前用于收敛计算）的计算。
引入支持MPSH谱的计算（同ATK 2.0一样）
性能方面进行了改进,尤其是对电子传输谱和两端系统. 改进以后传输谱计算性能达到原来的2-3倍, 3D两端系统是原来的1.5-2倍。
传输和DOS计算分开
改进格子评估技术
交换相关泛函的算法改进
用NanoLanguage脚本实现新的驰豫算法和NEB计算
提高了代码的稳定性
重要的缺陷修正：
通过修正pair-finding 算法和修正已经校正过的基函数长程行为来除掉状态方程中的波动
修正了32和64位平台在处理VNL文件时不相容的问题
获取两端系统原子结构坐标和力场的方法目前只能用于中心区域的原子上
引进了禁止将SZ基组用于闭壳层系统（惰性气体）的检查，因为这种做法导致错误的计算
改进对输入参数的允许范围和种类等的检查，引入其它错误信息的种类，避免不必要的错误信息输出。
大幅度改进和扩展手册(格式和内容)
修正了手册中的缺陷：
修正了手册中的关于initial_scaled_spin的定义
修正了fcc中X点的定义
小的新功能，比如可以用NanoLanguage脚本输出K-点取样格子和输入XYZ格式文件。
新方法：用convertTo（）转换单位
软件包升级：
升级numpy组件到1.0.1
MPI代码的升级及所有平台上MPICH的版本升级到1.2.7p1
FLEXlm组件的现代化
软件包中包含FLEXlm二进制代码
升级赝势
注意：很多ATK 2.2的赝势在较早的ATK版本中不能运行。考虑到赝势和状态方程（见上文）的缺陷修复，我们强烈建议所有的使用者更新为ATK 2.2版本

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