RESCU 大体系KS-DFT计算软件

RESCU是一款仅仅用小型计算机就能研究超大体系的KS-DFT计算软件。 RESCU是Real space Electronic Structure CalcUlator (实空间电子结构计算程序)的缩写,它的核心是一种全新、极其强大、并行效率超高的KS-DFT自洽计算方法。

RESCU可以使用各类计算机资源,从笔记本电脑、桌面单机、到16核、64核、256核、到更大的超算、包括用GPU加速等等, 来计算包含一千、数千、上万、乃至更大体系的电子结构性质。RESCU是解决超大体系KS-DFT问题的里程碑式的新方法,正在被应用于金属、半导体、绝缘体、液体、DNA、1维、2维、3维、表面、分子、磁性、非磁性、杂质、固体等等不同系统的 KS-DFT计算。

理论计算和软件特点


· 利用数值化原子轨道(NAO )生成非常有效的初始希尔伯特子空间。


· 利用Chebyshev滤波,完全避免了在全希尔伯特空间求解本征值来精确求解KS-DFT的过程。


· 通过新颖的计算过程,将求解KS-DFT方程的O()度规大大改善。即使当电子数N达到数万,RESCU的计算度规也仅仅 为O()。


· 在256核的小型计算平台上,使用实空间离散格点基矢,计算超过8000个原子规模的体系;而若用NAO基矢,体系的规模升高至约15000个原子的别。在更大的计算机上,可以期待研究超大的系统。


· 当系统包含数万个电子时,RESCU采用全新的partial Rayleigh-Ritz算法保证了超高的计算效率。


· 计算精度:使用实空间离散格点基矢时与其他标准的平面波基矢KS-DFT软件在同一级别;用NAO基矢时与其他标准的 LCAO基矢KS-DFT软件在同一级别。


表中:


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全希尔伯特空间为Nx × Ny × Nz,而RESCU经过Chebyshev滤波而找到的精确求解KS-DFT的子希尔伯特空间-Subspace , 要小得多,从而达到超高的求解效率。最后一列是达到最终收敛的总计算时间。


RESCU框架

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特色功能

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RESCU相关产品

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RESCU即将发布的功能

· 增加DFT+U功能 


· 增加计算贝利曲率功能


· 完善DFPT功能


· 完善计算带点体系功能


· 开发Fortran版本

软件研发团队背景信息

· 加拿大麦吉尔大学郭鸿院士团队


· 鸿之微开发团队、服务团队

经典应用

太阳能电池应用

通过在GaN体系中掺杂Sb来调控能带,并使用HSE06精确了体系的电子结构,最大的体系包含了1152原子。

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参考文献:Band engineering of GaSbN alloy for solar fuel applications. Physical Review Materials, 2017, 1(3):034602 



范德瓦尔兹异质结迁移率计算


使用RESCU计算了18种不同hBN/-InSe/hBN结构的电子结构和迁移率,最大体系包含2212个原子


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参考文献:Calculated carrier mobility of h-BN/-InSe/h-BN van der Waals heterostructures. 2D Materials, 2017, 4(4):045014.



摩尔条纹对狄拉克电子的调控作用


对二维平坦和三维波浪的石墨烯和氮化硼构成的摩尔条纹进行了电子结构和波函数分析,最大的体系包含12322个原子



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参考文献:Dirac electrons in Moiré superlattice: From two to three dimensions. PhysicalReview Materials, 2017, 1(6):061003.



摩尔条纹对双层扭转黑磷体系的迁移率的影响


对不同堆叠方式和扭转角度的双层黑鱗摩尔条纹进行了电子结构和波函数体系,最大的体系包含8068个原子,使用64核资源16.95小时就能使得8068个原子体系完成自洽计算。



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参考文献:Moiré impurities in twisted bilayer black phosphorus: Effects on the carrier mobility. Physical Review B, 2017, 96(19):195406.



具有表面增强拉曼光谱效果的石墨烯量子点制备和DFT分析


通过对石墨烯量子点体系进行了投影态密度,局域态密度和电荷转移等性质计算,分析了石墨烯量子点表面增强拉曼光谱的原因,最大的体系包含1155个原子,在12核一体机使用9.3小时就能完成该体系的自洽计算。


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参考文献: Raman enhancement on ultra-clean graphene quantum dots produced by quasi-equilibrium plasma-enhanced chemical vapor deposition. Nature communications, 2018, 9(1):193.


References

1. Michaud-Rioux V, Zhang L, Guo H. RESCU: A real space electronic structure method[J]. Journal of Computational Physics, 2016, 307: 593-613.


2. Kang P, Michaud-Rioux V, Kong X H, et al. Calculated carrier mobility of h-BN/γ-InSe/h-BN van der Waals heterostructures[J]. 2D Materials, 2017, 4(4): 045014.


3. Hu C, Michaud-Rioux V, Kong X, et al. Dirac electrons in Moiré superlattice: From two to three dimensions[J]. Physical Review Materials, 2017, 1(6): 061003.


4. Kang P, Zhang W T, Michaud-Rioux V, et al. Moiré impurities in twisted bilayer black phosphorus: Effects on the carrier mobility[J]. Physical Review B, 2017, 96(19): 195406.


5. Shi Q, Chen Y C, Chowdhury F A, et al. Band engineering of GaSbN alloy for solar fuel applications[J]. Physical Review Materials, 2017, 1(3): 034602.


6. Chen Y C, Chen J Z, Michaud-Rioux V, et al. Efficient evaluation of nonlocal operators in density functional theory[J]. Physical Review B, 2018, 97(7): 075139.


7. Liu D, Chen X, Hu Y, et al. Raman enhancement on ultra-clean graphene quantum dots produced by quasi-equilibrium plasma-enhanced chemical vapor deposition[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 193.


8. Chowdhury F A, Sadaf S M, Shi Q, et al. Optically active dilute-antimonide III-nitride nanostructures for optoelectronic devices[J]. Applied Physics Letters, 2017, 111(6): 061101.


9. Lin W X, Li J S, Wang W L, et al. Electronic Structure and Band Gap Engineering of Two-Dimensional Octagon-Nitrogene[J]. Scientific Reports, 2018,8:1674.


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