[资源]ABINIT及配套程序介绍

1 材料设计软件包的整体功能描述
材料科学是现代科技发展的支柱之一，随着高科技的发展，对材料性能的要求也越来越高。传统的材料设计常常是通过‘炒菜’方法，建立在大量反复的实验基础之上。这种方法由于缺少必要的理论指导，不可避免地具有一定的盲目性，从而造成人力物力的巨大浪费，且材料设计的周期很长。即使用炒菜方法获得了一些经验规律，往往也是知其然，而不知其所以然。不能满足快速发展的高科技对新材料的需求。材料科学家们希望借助于计算机，获取材料性能方面的信息，预测材料的性能，从而指导材料设计，这也是材料设计工作发展的必然方向。
本课题所建立的软件平台包括三个部分：第一原理平面波赝势总能计算软件包ABINIT；基于第一原理计算的材料设计辅助软件；以及平台界面。下面对这三部分的功能简单说明。

1.1 第一原理平面波赝势总能计算软件包ABINIT
第一原理计算辅助材料设计是目前国际上的研究热点之一。一方面，第一原理方法可以精确地计算出材料中与宏观性能密切相关的量，如弹性模量，缺陷形成能等，通过这些物理量的计算，间接预测材料的力学性能；另一方面，第一原理计算可以为更高层次的材料模拟如有限元方法，Kinetic Monte Carlo方法等提供基本参数，从而直接得到可与实验比较的结果。更为重要的是，第一原理方法不需要任何经验或拟合的参数，是一种真正意义上的预测。
第一原理方法是在用户给定体系的几何结构和化学成分后，对体系做一些适当的简化近似（如Bonopenheimer绝热近似、局域密度近似、平面波近似等），自洽求解体系的Schrodinger方程，得到其电子分布密度，并给出系统能量等与电子结构密切相关的物理量。
该软件包（包括源程序和可执行程序）在深腾6800上的安装路径为/home4/ qmhu/ abinit。程序的编译过程及使用指南，请见软件包内的说明（/home4/ qmhu/ abinit/Info/）。

1.2 材料设计附件
第一原理计算涉及到固体物理，量子力学等复杂艰深的物理理论，软件编写者大多为物理等基础学科领域的科学家，这使得现有第一原理软件包一般注重在物理，化学等基础科学中的应用，给出的是一些基本的物理结果如系统总能，电荷分布，原子力等等。从这些基本物理量很难联系材料的宏观性能特别是力学性能。为了让第一原理计算能更有效地为实际材料设计服务，根据我们长期材料计算设计的经验，自行编程并收集整理了一些材料设计辅助软件，这些软件能以第一原理方法的计算结果为输入，得到与材料宏观性能密切相关的量。
各材料设计附件的功能如下：
1.2.1 PDConcen
PDConcen利用第一原理计算得到的“粗”点缺陷，自洽计算在不同的化学计量比或温度下金属间化合物中的点缺陷浓度；根据点缺陷浓度计算化合物的长程序参数；由长程序参数随温度的变化确定化合物的有序无序相变温度。
该程序（包括源程序和可执行程序）在深腾6800上的安装路径为/home4 /qmhu/accessory/pdconcen。
1.2.2 ANN
ANN可以用来寻找复杂数据间的关系，并利用这些关系进行预测与优化。
该软件源程序在深腾6800上的保存路径为/home4/qmhu/accessory/ann。因需针对6800进行优化，目前尚未编译安装。
1.2.3 ISOTROPY
ISOTROPY是美国Birgham Young大学Stokes 和 Hatch所编写的利用群论方法分析晶体中的固态相变的软件。该程序共包括8个功能模块，其中ISOTROPY为主模块，提供详细的群论知识；ISODISPLACE确定与空间群不可约表征相关的晶体结构的位移型畸变；FINDSYM根据晶胞中的原子位置确定晶体的空间群对称性；COPL根据母相和子相的空间群对称性，确定完整的相变序参量列表；INVARIANTS产生序参量各组分的不变多相式；SMODES寻找晶体中将动态矩阵（最小）块对角化的位移模式；RELATION确定两个晶体是否具有群－子群关系；FROZSL用冻声子法计算声子频率与位移模式；COMSUBS寻找重构相变中两个结构的共有子群。
该程序在深腾6800上的安装路径为/home4/qmhu/accessory/isobyu。作者不提供该软件的源程序。使用指南请见该目录下的isoman.pdf。
1.2.4 PHON
PHON是Alfe开发的一个计算声子谱及热力学的程序。它以用户所给出的晶体结构模型为输入，产生用第一原理计算该模型的晶格声子行为所应该施加的位移；通过分析这些位移所引起的作用在原子上的力(可以用第一原理计算得到)，该程序可以给出晶体的振动频率，声子谱等。更进一步，它还可以计算出晶体的一些热力学性能，如Helmholtz自由能，振动熵，比热，及内能等。
该程序在深腾上的安装路径为/home4/qmhu/accessory/phon。程序的编译及使用指南，请参见该软件内的说明（manual.ps）。
1.2.5 ATAT
ATAT是Walle及其合作者开发的一个利用第一原理结合MonteCarlo模拟计算相图及热力学性能的软件包。该软件包首先采用团簇展开(cluster expansion)，用第一原理方法计算一系列构型的形成能，然后用这些能量作为Monte Carlo模拟的哈密顿量，计算材料的热力学性能。
该程序在深腾上的安装路径为/home4/qmhu/accessory/atat。程序的编译及使用指南，请参见该软件包内的详细说明(/home4/qmhu/accessory/atat/doc)。

1.3 用户界面
因为第一原理计算涉及到固体物理，量子力学等复杂艰深的物理理论，使用时参数的输入及结果处理往往要求用户具有相当丰富的背景知识，门槛很高，这也限制了材料设计者的使用。基于此，结合远程计算的要求，我们开发了一个用户界面，并提供了丰富且简单易用的在线帮助。利用该界面，可以通过网页为超级机上的第一原理计算程序提供输入并计算，观察输出结果，还可以提供适时方便的在线帮助。

2 内核程序ABINIT与材料设计附件间的协作关系

2.1 ABINIT与PDConcen
PDConcen需要ABINIT提供的“粗”点缺陷形成能含缺陷化合物与不含缺陷化合物见的总能量差），及参考能量。

2.2 ABINIT与PHON
PHON根据晶体对称性，为ABINIT力场计算确定进行声子谱计算所需的原子位移；ABINIT对PHON确定的一系列结构结构计算，提供PHON声子谱计算所需的力场。

2.3 ABINIT与ATAT
ATAT首先选取一种团簇展开的形式，用ABINIT计算得到相应构型的总能量，ATAT根据这些总能量，进行拟合，得到有效相互作用能，作为Kinetic Monte Carlo模拟，计算相图及热力学参数。

3 输入输出方式说明
我们为ABINIT软件编写了用户界面，用户可以通过调用相关网页，远程输入计算参数，提交作业，并观察输出结果。
材料设计附件的输入输出尚未集成到该用户界面中，采用命令行及文本方式输入输出。
各输入输出参数的含义，在相关软件包中有详细说明。

4 用户指南及算例

用户指南请参见各软件包内的详细说明。
Abinit算例见/userdata3/qmhu/test/supercell。我们对含一个空位的Al超晶胞进行了并行效率测试，使用的CPU数为1到16个。

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