2022年度国家自然科学基金申报已于1月5日正式启动，在3月20日申请截止之前，如何提高命中率无疑是科研工作者近期最为关心的问题——毕竟获得基金委资助不仅代表了政府对科研人员研究工作的高度肯定，更为研究项目提供了强有力的资金保障。因此，各个单位目前都在积极准备中。那么对于物理、化学等领域的研究者，是否有可能引入前沿的DFT计算方案，提高基金命中率呢？小编在此梳理了自主可控DFT计算软件PWmat的特色功能，展示我们在半导体计算&器件模拟、催化&锂电池计算、激发态和载流子动力学模拟、线性标度三维分块算法模拟百万原子级超大体系、金属高温高压相图等方向稳定可靠实现前沿计算方法的能力，协助科研人员进行高效计算或进行竞争对手无法开展的科学研究，从而帮助科研人员从大量的海选中脱颖而出！

一.半导体计算&器件模拟

DFT在半导体领域的应用由来已久，时至今日无论是纯计算研究课题组还是实验研究课题组，都意识到DFT计算在该领域的重要性。在半导体领域，DFT通常被用于研究半导体缺陷，计算半导体缺陷形成能、转变能级以及缺陷态密度等性质。如果我们在基金申请时还只写这些常规计算，很难打动审稿人。PWmat在半导体计算领域实现了多种新计算方法，这些新方法和新研究领域可能有助您增加基金的亮点。具体来讲有下面几点：

1.杂化泛函HSE06快速计算。由于杂化泛函可以准确计算材料的电子结构，尤其是能带结构的准确计算，因此这对半导体材料缺陷计算尤其重要。PWmat不仅可以实现杂化泛函的快速计算（相比常用CPU DFT计算软件有几倍甚至十几倍的加速），而且可以对大体系（几百个原子）进行HSE06杂化泛函计算。最近计算表明，为了准确地计算缺陷能级，我们往往需要使用大体系（例如500个原子）和HSE，这是使用其他材料模拟软件无法完成的，但是PWmat可以为您进行这种计算。今年，我们实现了HSE06计算提速30%的同时也对HSE06内存使用优化，单台Mstation可以计算1000个硅原子。

2.二维材料中带电缺陷能级计算。PWmat实现了邓惠雄等人提出的TRSM方法，该方法克服jellium模型中遇到的由于人为远距离静电能引起的发散问题，从而给出有意义的带电态缺陷形成能和相应缺陷的跃迁能级。

3.非辐射衰减计算。PWmat提供多种方法计算半导体缺陷非辐射衰减复合，其中包括非简谐效应下多声子无辐射跃迁。如何计算SRH（Shockley-Read-Hall）速率是一个长期存在的问题，而且也是未来缺陷计算的新方向。时至今日，如果还仅靠缺陷能级计算来研究缺陷是不够的，而且没有太多创新。但是SRH速率计算代表了一个新的方向，将成为未来资助的方向。

4.CPM（Charge Patching Method）计算是一个特别强大的超大体系模拟工具。PWmat的这个模块可以用于研究纳米结构，例如量子点和纳米线；也可以用于计算吸收谱、态密度、缺陷态、激子等；还可以用于研究现在比较热门的莫尔条纹（二维材料魔角建模工具）等。实际上，CPM也可以用于研究拓扑体系，比如计算拓扑系统的边缘态。使用CPM模块在一台Mstation（GPU服务器）上计算几万原子体系，将为你的研究提供很多可能。

5.对于器件模拟，PWmat可以结合Marcus理论研究器件中缺陷对电子和空穴的俘获情况，这对器件稳定性工程研究非常重要。此外，PWmat还提供了全新的量子输运计算模块，可以得到I-V曲线、透射系数等性质。该模块采用散射态理论计算量子输运，与算法复杂度规模在O(N3)的NEGF方法不同，这种散射态方法可以直接计算给定能量的散射态，而且精度是平面波级精度。除了这种散射态方法，目前还没有其他任何方法可以使用平面波赝势方法来计算量子输运和散射态。人们可以用散射态做很多事情，包括考虑器件中电子-声子耦合效应。散射态方法提供了一种NEGF的替代方法，因此可能成为重要的资助领域。这种方法可以线性扩展系统大小，因此也适用于大型系统的仿真。它可以用于大型器件仿真，从而取代像TCAD这样的连续中介方法。量子散射计算方法已经被用于研究量子隧穿晶体管，并且还用于计算具有数千个Cu原子的互连纳米结。

相关文章：

[1]Point Defects in Monolayer h-AlN as Candidates for Single-Photon Emission

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c09175

[2]Eshelby-twisted three-dimensional moiré superlattices

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.103.245206

[3]Nonradiative Carrier Recombination Enhanced by Vacancy Defects in Ionic II-VI Semiconductors

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.064025

[4]Relating gain degradation to defects production in neutron irradiated 4H-SiC transistors

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9345733

二.催化&锂电池计算

催化反应和锂电池模拟一直是DFT应用的重要领域，每年有大量相关的基金申请，可谓竞争非常激烈。对于锂电池，如果还以传统的DFT方法算一些电极材料的电子结构、能带结构、迁移势垒、电池电压、理论容量等性质，很难吸引审稿人的注意。同样，对于催化研究，如果还是局限于吸附能、反应过电势、反应吉布斯自由能以及火山图等计算，也很难写出令人耳目一新的本子。

PWmat作为一款DFT软件，不仅可以计算上述关于催化和锂电池的性质，solvent model模块也可以将溶剂化效应应用于锂电池以及催化反应等的研究。

此外，在电化学催化反应中，大家也越来越意识到计算氢电极（CHE）的局限性，更好的方法是巨正则固定电势法（fixed potential）。PWmat对反应电极施加一个固定的电极电势，采用solvent model +固定电极电势的方法，可以模拟更加真实的电极反应。此外，固定电势方法也可以应用于分子动力学模拟和NEB过渡态计算。相比其他软件使用固定电势法比固定电荷法（fixed charge）计算慢十几倍的低效，PWmat的两种计算速度同样强劲，因此可以使用PWmat轻松在锂电池或者催化反应相关的基金中引入溶剂模型和固定电极电势计算，以该亮点提高基金的命中率。

[1]A potential and pH inclusive microkinetic model for hydrogen reactions on Pt surface

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667109321002451

[2]Investigation and mitigation of degradation mechanisms in Cu2O photoelectrodes for CO2 reduction to ethylene

https://www.nature.com/articles/s41560-021-00927-1

[3]Regulating the nucleation of Li2CO3 and C by anchoring Li-containing carbonaceous species towards high performance Li-CO2 batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095495621003594

[4]Grain-boundary-rich polycrystalline monolayer WS2 film for attomolar-level Hg2+ sensors

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24254-x

[5]Structural origin of the high-voltage instability of lithium cobalt oxide

https://www.nature.com/articles/s41565-021-00855-x

三.激发态和载流子动力学模拟

由于超短激光脉冲的发展，超快分子动力学近几年有非常多的高影响因子文章，其中包括光激发引起的相变和载流子动力学。超快动力学是指时间尺度在100~1000fs左右的动力学，可用于研究材料在极端条件下的行为，例如研究超短脉冲激光，特别是飞秒激光对材料的作用。载流子动力学通常会伴随着超快动力学出现，且不能通过基态分子动力学描述。目前PWmat提供了两种手段来研究超快和载流子动力学：实时含时密度泛函理论（rt-TDDFT）和非绝热分子动力学（NAMD）。

1.实时含时密度泛函理论rt-TDDFT适用于模拟相对较小的体系（例如，原子数小于100的体系），而且可以添加震荡的外场，来模拟初始的激发过程。rt-TDDFT考虑了电子-电子之间相互作用以及电子-声子之间的相互作用，是非常前沿而且强大的研究载流子动力学的方法，可以解决一些普通DFT无法完成的问题，以后必将是下一个DFT计算的热点领域。rt-TDDFT不仅可以用于模拟快速失去电子体系的动力学（例如飞秒激光造成的离子化），还可以模拟电子从价带顶跃迁到导带底的激发过程、高速离子的轰击问题等。我司rt-TDDFT计算模块考虑了细致平衡和退相干效应，已有研究表明这对于研究热载流子冷却过程或者分子分解过程非常重要，而任何其他rt-TDDFT程序包都没有此功能。如果您在基金申请中包括这种方法，肯定会令审稿人耳目一新，因此增加获得资助的机会。

2.非绝热分子动力学NAMD适用于大体系的模拟（例如，原子数大于100的体系），是一种近似方法，忽略载流子运动对核运动的影响。一般的NAMD仅仅考虑了电子-声子之间的相互作用，没有考虑电子-空穴相互作用。但我们最新的NAMD已经考虑了电子-空穴相互作用，可以用来描述激子分离等现象。NAMD可以用于研究载流子冷却以及电荷从一个系统到另一个系统的传输。在过去的1~2年中，有很多关于杂化钙钛矿热载流子冷却的论文使用NAMD研究。

[1]Algorithm advances and applications of time-dependent first-principles simulations for ultrafast dynamics

https://wires.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/wcms.1577

[2]Electronically induced defect creation at semiconductor/oxide interface revealed by time-dependent density functional theory

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.104.115310

[3]Unveiling Charge Dynamics in Acetylene-Bridged Donor−π–Acceptor Covalent Triazine Framework for Enhanced Photoredox Catalysis

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.1c01794

[4]The critical role of hot carrier cooling in optically excited structural transitions

https://www.nature.com/articles/s41524-021-00582-w

四.LS3DF算法模拟超大体系（~百万原子）

超大体系计算模拟用途广泛，可以用于晶界、位错、缺陷、非晶态或者实际器件研究。然而，对于大于10,000个原子的系统，例如实际的量子结构、量子器件等，通常只能由世界上最大的超级计算机来进行第一性原理的计算。龙讯特有的线性标度三维分块（LS3DF）算法可以在普通课题组承受范围的集群上实现100万原子级别的平面波精度计算。线性标度三维分块算法基于分而治之的思想，将大体系划分为许多小片段，每个小片段单独用DFT方法进行计算，然后将计算完的小片段组合拼接起来，从而得到大体系的电子结构性质；计算复杂度可降低到O(N)或O(Nlog(N))。

2021年1月，在龙讯和腾讯量子实验室、石林教授的合作项目中，LS3DF在常见的分治并行思想的基础上，巧妙引入了error cancellation策略，对分治区域边界带来的误差进行处理，在将计算的时间复杂度降低到线性复杂度的同时保证计算的平面波级别精度和应用场景的普适性。最终，项目基于240张V100 GPU卡实现了超大规模GPU并行计算，在16小时内完成了112万硅原子的电荷密度计算，首次在平面波精度的前提下实现了百万原子超大体系的第一性原理计算。

LS3DF计算大体系的能力可以为材料模拟打开许多新的方向，使科研可以考虑以前无法想到的新计算（如位错和大型晶界的从头算）。线性标度三维分块算法+Mcluster的模式能让科研用户进入全新的研究领域，让您在竞争中胜人一筹。

五.金属高温高压相图

相图的结构依赖于不同相的吉布斯自由能的高低，而通过求解不同结构的量子力学方程可以得到材料的吉布斯自由能。因此，通过的第一性原理计算，我们可以获取金属的高温高压相图结构数据。

PWmat计算时考虑材料在不同温度，不同压强，不同磁状态和结构下的内能、体积、熵等物理量，集成并改进现有文献以最好的方法进行计算。通过该流程，可得到材料在任一温度和任一压强下的吉布斯自由能，因此能获得材料在特定压强下的热熔数据与相转变温度。

理论计算完成后，PWmat还可以利用极少的实验相变点数据，使用LDA与PBE交换关联泛函的校准、DFT+U校准等方法，修正密度泛函理论的第一性原理计算结果与实验的误差，得到并绘制与实验结果接近的计算相图。

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