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量子力学方法：是一种能够对材料体系电子结构特点进行解析的方法，精度高且几乎不依赖于任何经验参数，因此被广泛应用在各类材料的模拟研究中。CASTEP（平面波赝势方法）CambridgeSequentialTotalEnergyPackage)是由剑桥凝聚态理论研究组开发的一款基于密度泛函理论的先进量子力学程序。程序采用平面波函数描述价电子状态，利用赝势替代内层电子，因此也被称为平面波赝势方法。研究对象主要有半导体、陶瓷、金属、分子筛等各类晶体材料，以及掺杂、位错、界面、表面等各种缺陷结构。CASTEP的主要功能：能量计算--吸附热，缺陷形成能，内聚能，表面能等结构优化--优化原子坐标和晶胞参数，支持原子分数坐标、晶胞参数、键长、键角、二面角限定，支持外加应力过渡态--过渡态搜索（SynchronousTransit方法）电子结构解析--能带结构，电子态密度（局域态密度、分波态密度），电荷密度差分电荷密度，电子局域函数，电子轨道，扫描隧道显微镜(STM)图像模拟，共价键级，静电荷（Mulliken、Hirshfeld），静电势，功函数，自旋磁矩，费米面介电性质--波恩有效电荷，静态介电常数张量，极化率张量力学性质计算--弹性力常数张量，体模量，剪切模量，杨氏模量，泊松比热力学性质计算--声子态密度、色散谱（linearresponse的方法扩展至金属体系6.0）；熵，焓，自由能，零点能，德拜温度，等容热容随温度的变化曲线光学性质计算--红外光谱，拉曼光谱5.0（计算指定频率范围的拉曼活性模强度6.1），核磁共振谱a（化学位移、电场梯度张量），电子能量损失谱4.4（旋轨耦合效应5.5），X射线吸收（发射）谱4.4（旋轨耦合效应5.5），光频介电常数虚（实）部，吸收系数，折射率，光导率虚（实）部，能量损失函数动力学计算（结果分析采用Forciteplus的分析工具，具体内容参考Forciteplus介绍）---支持NVE，NVT，NPT以及NPH等系综，以及多种控温控压函数DMol3（原子轨道线性组合方法）；DMol3是由BernardDelley教授发布的一款基于密度泛函理论的先进量子力学程序，它采用原子轨道线性组合的方法描述体系的电子状态，因此也被称为原子轨道线性组合方法。DMol3有别于其它方法的最重要特点是采用数值函数描述原子轨道，这一做法兼顾了计算精度和效率，使得DMol3成为一款高效实用的量子力学程序。除了可以预测材料的电子学、光学、热力学性能外，它还能够细致地研究气相、溶液、表面及其它固态环境中的化学反应，适合解决化学、化工、生物、材料、物理等领域中的各类问题，尤其是化学反应机理及催化剂设计的问题。研究对象涉及晶体材料、有机分子、团簇、纳米和多孔材料、生物分子等各种周期性及非周期性体系。DMol3的主要功能:能量计算--吸附热,生成焓，结合能，反应热，表面能等结构优化--优化原子坐标和晶胞参数，支持原子笛卡尔坐标（可限定某个方向坐标）、键长、键角、二面角限定过渡态--过渡态搜索（SynchronousTransit方法），过渡态优化，过渡态的确认电子结构解析--能带结构，电子态密度（局域态密度、分波态密度），电荷密度，差分电荷密度，电子轨道，Fukui函数（支持周期性体系5.5），共价键级（非周期性体系），静电荷（Mulliken、Hirshfeld、ESP），静电势，功函数4.4，偶极矩，核电场梯度，费米面5.5，自旋磁矩热力学性质计算--熵，焓，自由能，零点能，等压热容随温度的变化曲线光学性质计算--红外光谱，拉曼光谱6.0（计算非周期性体系时给出强度），紫外可见光谱5.5（计算非周期性体系时给出强度），非线性光学性质5.5（非周期性体系）【频率依赖线性极化率、次谐波振荡(SHG)、光整流效应(OR)、普克尔斯电光效应(EOPE)、三次谐波振荡(THG)、直流电诱导二次谐波振荡(dc-SHG)、强度依赖折射率(IDRI)、克尔电光效应(EOKE)动力学计算a--支持NVE和NVT，以及多种控温函数(结果分析采用Forciteplus的分析工具，具体内容参考Forciteplus介绍)QMERA（量子力学/分子力学杂化方法）；QMERA是一款将量子力学方法的精确性与经典模拟方法的高效性有机结合的程序，也被称为量子力学(QM)与分子力学(MolecularMechanics)的杂化方法。在利用QMERA进行模拟计算的过程中，需要在所研究体系中划分出量子力学和分子力学区域（其中量子力学区域往往是研究中的核心和兴趣所在，譬如非均相催化中的活性位点区域），然后分别调用DMol3和经典模拟方法中的GULP*模块进行处理。QMERA提供了多种方式解决两个区域间的耦合问题。QMERA可研究包含上千个原子的体系，在充分考虑周围原子影响的条件下，得到其核心部分的电子结构、可能的化学反应机理、紫外可见光谱、红外光谱等信息。这一方法在非均相催化、表界面吸附、聚合物间的相互作用、生物分子活性的研究中相比于传统量化方法更具优势。QMERA的主要功能:能量计算--吸附热等结构优化--优化原子坐标，支持原子笛卡尔坐标、键长、键角、二面角限定过渡态--过渡态搜索5.5（NudgedElasticBand方法），过渡态优化5.5电子结构解析--电荷密度，差分电荷密度，电子轨道，Fukui函数，共价键级，静电荷（Mulliken、Hirshfeld、ESP），静电势，偶极矩，核电场梯度，自旋磁矩光学性质计算--振动光谱（简正模频率）,紫外可见光谱动力学计算--支持NVE和NVT，以及多种控温函数ONETEP（线性标度方法）ONETEP（Order-NElectronicTotalEnergyPackage）是由剑桥凝聚态理论研究组开发的一款专门针对体系（500原子）研究的量子力学程序。其关键技术是采用非正交的广义万尼尔（Wannier）函数替代平面波函数进行计算，并采用FFTbox技术和处理电荷密度的Densitykernel稀疏矩阵方法，使模拟计算的时间与体系的大小成线性关系。因此，ONETEP也被称为线性标度的量子力学方法。其应用范围主要包括表面化学、大分子体系（蛋白质、DNA、抗体）及其它复合材料、纳米材料以及半导体、陶瓷材料缺陷等。ONETEP的主要功能:能量计算--吸附热，缺陷形成能，内聚能，表面能等结构优化--优化原子坐标，支持原子笛卡尔坐标限定过渡态--过渡态搜索（SynchronousTransit方法）电子结构解析--电子态密度，电荷密度，电子轨道，共价键级，静电荷（Mulliken），静电势，自旋磁矩半经验量子力学方法（Semi-empiricalQuantumMechanics）：同样能够对材料体系电子结构特点进行解析，但是包含有更多的经验参数以及数学、物理近似，因此，计算效率相比于纯粹的量子力学更高，但是精度会略低。DFTB+（紧束缚近似方法）；DFTB+(DensityFunctionalbasedTightBindingPlus)是一款融合了密度泛函方法（DFT）准确性和紧束缚方法（TB）高效性的半经验量子力学程序，其中所采用的原子轨道波函数和原子核间相互作用势均基于DMol3的结果拟合得到。DFTB+可以对数千个原子体系进行模拟研究，为解决电子、催化、化工等领域中各种复杂体系及复杂过程的相关问题提供一种新的模拟方法。对于传统量化模块遇到的，如反应动力学过程等需要花费研究者大量时间和计算资源的问题，DFTB+有其独有的优势。所涉及的研究对象主要有有机分子、团簇、绝缘体、半导体、金属甚至是生物体系等各类非周期性和周期性材料体系。DFTB+的主要功能:能量计算--吸附热，表面能等结构优化--优化原子坐标和晶胞参数，支持原子分数坐标、笛卡尔坐标、晶胞参数的限定，支持外加应力（等静压）动力学计算a--支持NVE，NVT，NPT以及NPH等系综，以及多种控温控压函数参数化工具--基于DMol3的PWC和PBE泛函进行参数化；提供方便的参数化界面和工具；允许在已有later-Koster参数库中添加新的元素和参数6.1电子结构解析--能带结构，电子态密度（局域态密度、分波态密度），电荷密度，差分电荷密度，电子轨道，静电荷（Mulliken、），费米面a结果分析采用Forciteplus的分析工具，具体内容参考ForciteplusVAMP（原子轨道线性组合方法）VAMP是一款基于原子轨道线性组合方法的半经验量子力学程序。它通过忽略部分不太重要的原子轨道重叠积分或者用经验参数（基于实验数据拟合得到）替代部分轨道重叠积分的方式简化计算。具体的方式包括，NDDO（NeglectofDiatomicDifferentialOverlap）和ZINDO（Zerner'sIntermediateNeglectofDifferentialOverlap），以及在两者基础上演化而来的MNDO、MNDO/C、MNDO/d、AM1、AM1*5.0、PM3、PM64.4、CNDO以及INDO，各种方式在简化的积分类型，适用的元素范围，适用的性质计算上都有一定的区别，可根据需要进行选择。VAMP主要是对有机和无机分子体系进行模拟计算，它可以快速计算分子的多种物理和化学性质。VAMP的主要功能能量计算--生成焓，结合能，反应热，吸附热等；结构优化结构优化--优化原子坐标过渡态--过渡态搜索（McIver-Kormonicki），过渡态优化电子结构解析--电荷密度，原子、分子极化率以及极化张量，分子轨道，定域轨道，静电荷（Coulson、Mulliken和ESP），共价键级，静电势光学性质--红外光谱，拉曼光谱，紫外可见光谱，13C化学位移，电子自旋共振谱（ESR）中H超精细耦合常数热力学性质--生成热，零点振动能，熵、焓、热容随温度的变化曲线MaterialsStudio中的分子力学、动力学模块：COMPASS（一个高精度力场）COMPASS（Condensed-phaseOptimizedMolecularPotentialforAtomisticSimulationStudy）是一个功能强大的、基于量子力学方法，并且能够对凝聚态体系进行原子尺度模拟研究的力场。对其参数有效性的考察，不仅包括了单分子（气态）的量子力学计算结果以及实验结果，还充分考虑了其凝聚态性能。因此，COMPASS可在一个很大的温度、压力范围内，精确地预测多种单分子及其凝聚态的结构、构象、振动及热物理性质。COMPASS的主要特性1、参数均基于高精度的量子力学计算，并优化以实现和实验数据的良好一致性2、可准确预测的性质包括：分子结构，振动频率，偶极矩，液相结构，晶体结构，晶格能，弹性力常数等；基于动力学模拟，可以准确预测内聚能密度，体系状态方程3、可以在AmophousCell、ForcitePlus、Blends、Conformers、Sorption以及AdsorptionLocator模块中使用ForcitePlus（包含各种通用力场）是一款分子力学和分子动力学模拟程序。它可以对分子、表面或三维周期性材料体系进行快速的能量计算、几何优化以及各种热力学条件下的动力学模拟研究，可以分析材料体系的各种结构参数、热力学性质、力学性质、动力学性质以及统计学性质。主要应用于有机、无机小分子、有机金属络合物、高分子聚合物、纳米及多孔材料、部分金属、金属氧化物晶体及晶体表界面结构的研究。ForcitePlus的主要功能能量计算吸附热，表面能等GULP（包含各种针对无机体系的专用力场）MaterialsStudio中涉及蒙特卡洛方法的模块：AmorphousCell（无定形模型搭建）；AdsorptionLocator（吸附位、吸附构象)；Blends（混合体系相容性）；Conformers（聚合物构象）；Sorption（吸附位、吸附等温线）；Equillibria（相图模拟）MaterialsStudio中的定量结构-性能关系模块：Synthia