涵盖多种功能，龙讯旷腾Module第二期：电子结构及声子计算

Module是什么

在PWmat的基础功能上，我们针对用户的使用需求开发了一些顶层模块（Module）。这些Module中的一部分是与已有的优秀工具的接口，一部分是以PWmat的计算结果为基础得到实际需要的物理量，一部分则是为特定的计算需求而设计的计算流程。这些Module涵盖了物质结构、基础性质、针对大体系的计算以及机器学习力场等，功能全面、操作方便。今天聊聊Module之电子结构及声子计算。

Part.1 电子结构

1. Band alignment：计算能带的带阶（异质结中非常重要的光电性质参数）

该模块用于计算半导体异质结的能带对齐。两个半导体接触形成界面结构时，由于带隙不同，在两侧材料的VBM和CBM处会本别形成不连续的台阶（band offset）。根据VBM和CBM处的能带的相对位置，可以将异质结划分成不同的种类，而这对异质结的性质有着重要的意义。例如，第一类异质结可以更有效的束缚电子/空穴对，从而可以有效减少漏电，更适合作为电子器件；第二类异质结可以有效减少电子/空穴复合，提高光催化效率。实验测得的能带对齐值，与生长条件、晶格应力等有很强的关联，很难直接对不同异质结的分类提供稳定的标准。因此，需要从理论计算的角度准确获得能带对齐的信息，这对异质结制造有着重要的指导意义。

以上方法，可引入HSE，WKM和GW等修正。

2. BANDUP: 计算能带反折叠

该模块介绍如何使用软件bandup对超胞的能带结果进行反折叠，以获得单胞的能带结构。

以上方法，可用于惯胞折叠回原胞，超胞折叠回单胞，解决超胞算缺陷/吸附引起的能带折叠 ，支持自旋极化的计算。

3. PDOS&fatband structure: 部分原子的投影态密度/能带

该模块用于介绍如何使用PWmat来计算投影态密度、不同原子对态密度的贡献以及fatband结构。

以上方法，可用于辅助分析成键/反键，拓扑绝缘体中的能带反转来源等；辅助分析晶体场劈裂，磁矩来源，磁交换机制等。

4. WKM: Wannier Koopmans method修正带隙

该模块主要介绍如何利用Wannier-Koopmans方法（WKM）基于Koopmans定理计算电子结构。LDA计算的一些测试已经应用于常见的共价半导体、离子晶体和有机晶体。带隙结果与实验结果吻合良好。(使用WKM方法计算电子结构， 对普通共价半导体，离子晶体和有机晶体都有很好的效果，对含d电子的体系还需要优化）。

以上方法，修正了自相互作用误差，解决了DFT低估基本带隙的问题；计算量远小于GW；目前对含有d电子的开壳层的体系还需要优化。

5. Get U value: 使用线性响应理论获得DFT+U的U值

该模块用于介绍如何使用PWmat来获得LDA+U中的U值。（利用线性响应方法估算U值，相比传统取大量U值凑实验数据的方法更加地科学）。

以上方法，针对窄带体系的在位库仑能修正；在计算开壳层的带隙时，有概率优于WKM；U本身不代表自相互作用修正，但是在这个框架下，它的作用接近HSE；加U不等于算磁性，加U不等于有带隙。

6. Wannier band interpolation：计算少量的本征值就能得到致密的k点本征值

Wannier带插值（WBI）是一种基于紧束缚近似和Wannier函数的带结构插值方法，只需要少量的DFT计算获得一些初始的k点的本征值，就能通过插值得到致密k点的本征值。对计算费米面，计算输运性质等都有重要作用。（基于紧束缚近似和瓦尼尔函数的插值方法，利用少量DFT计算就可以扩展得到任意的K点特征值，可以高效计算能带）。

以上方法，与Wannier接口生成MLWF；实空间MLWF对应离散的倒空间波函数。

7. High accurate k–point interpolation：计算少量的本征值就能得到致密的k点本征值

该模块介绍了一种新的二阶k点插值方案。它可以用来绘制带状结构。但它也可以用于布里渊区上的其他k点积分方案。与以前的interp_absorption和interp_DOS方法相比，这种方法更准确。但它也更贵。未来可能需要使用GPU进行改进。它可以用于任何哈密顿量，例如DFT+U或HSE等。（一种新的二阶插值方法，与之前的方法相比，这种插值方法更精确，适用范围更广，计算量也更大）。

以上方法，自主研发的精确二阶插值方法；可适用于任何哈密顿量（DFT+U,HSE等）。

8. ELF: 计算电子局域化函数

在量子化学中，电子局域化函数（ELF）是在位于给定点且具有相同自旋的参考电子的邻域空间中找到电子的可能性的度量。在物理上，这测量了参考电子的空间局域化程度，并为多电子系统中电子对概率的映射提供了一种方法。

以上方法，可视化描述电子局域性的空间分布；0.5代表自由电子，1.0代表完全局域；常用于分析电子晶体（electride体系）： 1.离散型：主要用于表面催化；2.局域型：主要用于新一代自旋器件

Part.2 声子计算

9. PyPWmat: 计算声子谱/声子DOS/振动模式

该模块是PWmat和Phonopy之间的接口。Phonopy是一个开源软件包，用于谐波和准谐波级别的声子计算。它可以用于计算声子谱、声子DOS和部分DOS、声子热学性质等。最重要的是，该模块可以计算缺陷系统的声子和子系统的声子模式。（声子谱，缺陷声子谱，零点能，有限温度声子谱计算）

以上方法，JOB=std计算原胞的声子谱/声子DOS，分析材料的稳定性 ；JOB=defect计算缺陷的声子谱/振动模式，通过特定的算法大大减少了计算量 ；JOB=sub计算部分原子的振动，常用于获得表面吸附分子的零点振动能。

10. PWphono3py: 计算三阶力常数（非谐效应）

该模块是PWmat和phonon3py之间的接口。Phonon3py可用于使用超晶胞方法计算声子-声子相互作用和相关性质，包括晶格热导率、声子寿命/线宽和自能的虚部。（与phononpy的接口，计算晶格热导率，声子寿命/线宽等）。

以上方法，计算热电材料的晶格热导率；计算声子的自能虚部，寿命/线宽，晶格热容等。

11. EPC: 结合Wannier90，计算电声耦合矩阵

使用瓦尼尔函数（wannier functions, WFs）计算电声耦合矩阵。

以上方法，使用Wannier90产生MLWF；结合PyPWmat，计算电声耦合矩阵；电声耦合矩阵可用于：计算电导率，计算BCS超导转变温度等。

Module下载地址：http://www.pwmat.com/module–download

下一期，我们来聊一聊

光、磁、力学和极化性质

敬请期待

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