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1、Materials Studio 的模块的模块 Materials Studio 是一个全尺度材料模拟平台。平台以可视化视窗界面 Materials visualizer 为核心，在其上共整合了 24 个功能模块，囊括了量子力学方法、经典模拟方法、介观模拟方法、有限元模拟等各种常见分子模拟方法，以及晶体结构解析、晶体形貌预测、定量构效关系分析等实用工具，实现了从电子结构解析到宏观性能预测的跨尺度研究。 Materials visualizer Materials visualizer 是 Materials Studio 的图形化界面，也是整个平台的核心。 Materials visualiz
2、er的功能包括：的功能包括： 搭建、调整各类三维可视的结构模型，包括晶体、小分子、聚合物、纳米材料、团簇、表界面以及各种缺陷结构； 提供模块参数设置、结果分析的视窗界面；提供结构文件、参数文件以及结果文件的管理界面；提供计算进程的监控界面； 对模拟结果进行各种分析，可与结构模型相结合进行数据的二维、三维显示，可以给出数据的图表，可以对特定的结果进行动画演示或给出矢量图； Materials visualizer的特性包括：的特性包括： 支持多种结构、图形、文本文件格式的输入和输出； 支持不同功能模块间结构数据的共享； 提供Perl语言环境，以及脚本编译工具； 提供不规则多面体表面积、体积的计算
3、工具。 量子力学方法量子力学方法 量子力学方法（Quantum Mechanics） 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。 半经验量子力学方法（Semi-empirical Quantum Mechanics）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。 量子力学以及半经验量子力学方法均以定态薛定谔方程为核心，计算原子核满足特定排列、堆积时，核外电子的空间、能量分布，并由此进一步得到体系的电学性质、磁学性质、光学性质
4、、热力学性质、力学性质，所能研究的材料体系类型包括：各类晶体材料及可能的各种缺陷结构，各种维度的纳米材料，各种分子及团簇材料。 量子力学方法最多能够计算数百原子模型的相关性质，而半经验量子力学方法能够计算数千原子的模型。 Materials Studio 中的量子力学模块：中的量子力学模块： CASTEP （平面波赝势方法） ； DMol3（原子轨道线性组合方法） ；QMERA（量子力学/分子力学杂化方法） ；ONETEP（线性标度方法） Materials Studio 中的半经验量子力学模块：中的半经验量子力学模块：DFTB+（紧束缚近似方法） ；VAMP（原子轨道线性组合方法） CAST
5、EP CASTEP(Cambridge Sequential Total Energy Package)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。适于解决固体物理，材料科学、化学以及化工等领域中的各类问题。目前，CASTEP已经在材料研究的诸多领域获得了广泛而成功的应用，每年都有数百篇文章在各类顶级学术刊物上发表。所涉及的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的主要功能的主要功能 能量计算 吸附热，缺陷形成能，
6、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（Synchronous Transit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4.4，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4.4，自旋磁矩，费米面5.5 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（lin
7、ear response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b 支持NVE，NVT，NPT以及NPH等系综，以及多种控温控压函数 a 需要CASTEP NMR模块的支持；b 结果分析采用Forcite plus的分析工具，具体内容参考Forcit
8、e plus介绍（页码） CASTEP的主要特性的主要特性 范德瓦尔斯相互作用修正5.5（增加适用元素类型6.0） 表面模型计算所需的偶极修正6.1 Hubbard U 修正（可用于结构优化5.5，可用于声子计算6.0） 自带赝势生成程序 自动、手动选择最有效的并行方式 多种自洽收敛算法：Density mixing 和 EDFT 混合交换关联函数：sX-LDA、HF-LDA、PBE04.4、B3LYP4.4、HSE03和066.1 支持 Perl 脚本5.0 支持断点续算 自动选择最佳的 CPU 数目5.5 DMol3 DMol3是由Bernard Delley教授发布的一款基于密度泛函理论
9、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。每年都有数百篇应用DMol3的文章在各类顶级学术刊物上发表。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。 DM
10、ol3的主要功能的主要功能 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（Synchronous Transit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
11、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 a 结果分析采用Forcite plus的分析工具，具体内容参考Forcite plus介绍（页码） DMol3的主要特性的主要特性 范德
12、瓦尔斯相互作用修正5.5（增加适用元素类型6.0） 表面模型计算所需的偶极修正6.0 基组重叠误差（BSSE）修正6.0（非周期性体系） 支持COSMO以及COSMO-RS (COnductor like Screening MOdel for Realistic Solvents)溶剂化模型，可用于计算蒸汽压、分压系数以及水化自由能 混合交换关联函数B3LYP6.0 支持 Perl 脚本 支持含时密度泛函（TD-DFT）理论 高精度数值轨道基组：TNP4.4、DNP+6.1 支持全电子计算，可考虑相对论效应 频率计算支持粗粒化的并行计算方式5.0 允许外加电场 支持周期性以及非周期性边界条件
13、 支持断点续算 QMERA 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(Molecular Mechanics)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
14、、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（Nudged Elastic Band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6.0 动力学计算6.0, *
15、支持NVE和NVT，以及多种控温函数 *结果分析采用Forcite plus的分析工具，具体内容参考Forcite plus介绍（页码） QMERA的主要特性的主要特性 范德瓦尔斯相互作用修正5.5 支持周期性（整个体系5.0以及量子力学区域5.5）以及非周期性边界条件 支持部分原子振动频率计算（Partial Hessian） 混合交换关联函数B3LYP6.0 支持Universal和Dreiding力场， 支持力场的拟合和编辑a 支持加法（Additional）和减法（Subtractive）两种方式计算体系能量 支持Mechanical和Electronic两种耦合方式，后者可以考虑分子
16、力学区域对量子力学区域的极化作用 包含更多专用力场*， 譬如专门用于硅铝多孔材料的Sauer力场5.5 量化区域边界的悬键采用H原子饱和 * 详见 GULP 模块的介绍（页码？） ONETEP ONETEP （Order-N Electronic Total Energy Package） 是由剑桥凝聚态理论研究组开发的一款专门针对大体系（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 FFT box 技术和处理电荷密度的 Density kernel 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的主要功能的主要功能 能量计算 吸附热，缺
