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wuchenwf

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[交流] 【分享】Atomistix ToolKit (ATK)和Virtual NanoLab (VNL)的简介

Atomistix ToolKit

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。

ATK软件的特点：
1、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(包括了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

Virtual NanoLab

　　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是VNL1.2，它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)和能谱计算模块(Energy Spectrometer)。即将2006年12月正式发布的VNL1.3版本中晶体构造模块(Crystal Grower)替换为晶体结构库模块(Crystal Cupboard)，在1.2版本的基础上提供了更多的晶体结构。

功能：

1. 可视化ATK输入文件中所定义的体系的几何结构。
2. 可视化ATK计算输出的netCDF格式文件。
3. 能导入按xyz格式描述的原子坐标文件，并显示相应体系的几何结构。
4. 提供了500多种晶体的结构图，可以直接在VNL中进行显示和表面结构的建模。
5. 直接构造和显示碳纳米管的结构并可以导出它的原子坐标，采用紧束缚近似快速计算并显示它的能带结构。
6. 通过对电极材料进行表面结构建模，对中心区（或导体区）采用鼠标操作来调整中心区吸附分子或导体的位置和取向，可简单、轻松构造所要模拟的双电极体系。
7. 能快速建立所要模拟的分子、体材料和双电极体系的ATK输入文件，并通过鼠标操作来引导内嵌的ATK的运行并进行所模拟体系的几何结构优化、电子结构计算或电子输运性质计算。
8. 可视化电荷密度和有效势在实空间分布的等高线图、等值面图和体积图。
9. 可视化分子轨道的3D图和显示周期性体系的布络赫(Bloch)波函数。
10.支持大多数运行于32和64位的Intel和AMD处理器上的Linux和Windows操作系统

Virtual NanoLab 1.4的新功能：

新工具：构建分子，以一种直观的化学方式，快速、高效地构建大的有机分子
在几个预定义的彩图中选择，设定彩色数据的范围

操作平台：Windows，Linux，Unix。

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