Device Studio应用实例之BDF(上)

Device Studio（简称：DS）作为鸿之微的材料设计与仿真软件，能够进行电子器件的结构搭建与仿真；能够进行晶体结构和纳米器件的建模；能够生成科研计算软件 Nanodcal、Nanoskim、MOMAP、RESCU、DS-PAW、BDF、STEMS、TOPS、PODS、VASP、LAMMPS、QUANTUM ESPRESSO、Gaussian的输入文件并进行存储和管理；可以根据用户需求，将输入文件传递给远程或本地的计算机进行计算，并控制计算流程；可以将计算结果进行可视化显示和分析。

上一期的教程给大家介绍了Device Studio应用实例之DS-PAW应用实例下半部分的内容，本期将介绍Device Studio应用实例之BDF应用实例上半部分的内容。

8.11.BDF实例

BDF（Beijing Density Functional）是一个独立完整、具有完全自主知识产权的量子化学计算软件包。也是国际上第一个基于现代密度泛函理论、能准确计算分子体系基态总能量的完全相对论密度泛函程序（早期的类似程序因数值积分精度太差不能准确计算总能量）。

BDF官方用户手册网址为：https://bdf-manual.readthedocs.io/zh_CN/latest/index.html

BDF的研发团队信息：

• 国际量子分子科学院院士刘文剑研发团队.

• 鸿之微研发团队、服务团队。

图8.11-1: BDF软件特色图

BDF软件特色：

1.高精度相对论方法。 2.任意点群对称性。 3.自下而上自洽场方法。 4.高效轨道局域化。 5.亚线性标度含时密度泛函方法。 6.亚线性标度化学位移计算方法。

7.自旋匹配开壳层含时密度泛函方法。

8.基态与激发态旋轨耦合计算。

9.基态——激发态以及激发态——激发态非绝热耦合矩阵元。 10.化学结构和反应路径优化。

以基态分子CH2S完成sf-X2C/TDDFT-SOC的自旋轨道耦合计算为例来详细描述 BDF 在Device Studio中的应用。

8.11.1.BDF的发展史

BDF 的研发始于1993年，并于1997年正式命名。最初的想法是对稀土、锕系、过渡金属、超重元素等小分子体系进行高精度计算，考察这些体系中的相对论效应，因此一开始就采用基于Dirac算符的完全相对论密度泛函理论（4C-DFT）和近乎完备的基函数“数值基+STO”（Slater-type orbital）。正因为如此，BDF对稀土、锕系、超重元素的计算结果一直被作为检验其他近似相对论方法的基准。BDF对重元素体系电子、分子结构的计算结果被后续20余个实验验证。

2009年开始引入基于高斯基的解析积分，BDF 进入一个新的发展阶段。

毋庸讳言，BDF 一开始就定位于发展新理论、新方法和新算法的平台，因此是一款“科研软件”。基于 BDF 发展的理论和方法包括：相对论含时密度泛函理论（4C/ZORA/X2C-TDDFT）、精确二分量（X2C）相对论理论、准四分量（Q4C）相对论理论、自旋分离的X2C相对论理论（sf-X2C+so-DKHn）、多体有效量子电动力学（eQED）、相对论核磁理论（4C/X2C-NMR）、相对论核自旋-转动理论（4C-NSR）、相对论能带理论（X2C-PBC）、X2C解析梯度和Hessian；激发态HF/KS方法（mom）；基于“用分子片合成分子”（F2M）思想的轨道局域化方案（FLMO）、亚线性标度含时密度泛函理论（FLMO-TDDFT）、亚线性标度NMR方法（FLMO-NMR）、迭代轨道相互作用“自下而上”自洽场方法（iOI）；自旋匹配开壳层含时密度泛函理论（SA-TDDFT）、自旋反转含时密度泛函理论（SF-TDDFT）、基态/激发态-激发态非绝热耦合含时密度泛函理论（NAC-TDDFT）、含时密度泛函理论解析能量梯度、任意单值/双值点群对称化等。

除了上述相对论/非相对论密度泛函、含时密度泛函理论，BDF还有基于“先静态再动态又静态”（SDS）思想的波函数电子相关方法SDSPT2SDSCI、iCI、iCIPT2、iCAS、iCISCF、SOC-iCI、iCI-SOC，以及直接求解大矩阵内部本征态的iVI方法等等。

鉴于BDF的现状，首期商业化版本将以荧/磷光材料发光机理和材料设计为主要应用目标，因此不包括4C/X2C相对论、波函数电子相关、固体能带/核磁等方法。即首期商业化的BDF将以DFT、TDDFT为主，包括基态与激发态KS、QM/MM、FLMO-TDDFT、SF-TDDFT、NAC-TDDFT、sf-X2C-SA-TDDFT/SOC、SA-TDDFT解析能量梯度和数值Hessian、稳定结构和过渡态优化、反应路径优化、隐式溶剂化模型、FLMO-NMR、基于局域轨道（FLMO）的性质计算和分析等特色功能。

8.11.2.BDF计算流程

BDF在Device Studio中的计算流程如图8.11-2所示。

图8.11-2: BDF计算流程

8.11.3.BDF创建项目

双击Device Studio图标快捷方式，登录并启动Device Studio，在创建或打开项目界面中(图5.1-1: 启动软件后选择创建或打开项目的图形界面)，根据界面提示选择创建一个新的项目（Create a new Project）或打开一个已经存在的项目（Open an existing Project）的按钮，选中之后点击界面中的OK按钮即可。若选择创建一个新的项目，用户可根据需要给该项目命名，如本项目命名为BDF，或采用软件默认项目名。

8.11.4.BDF导入结构

在Device Studio的图形界面中点击File→Import→Import Local， 则弹出导入BDF结构文件的界面，根据界面提示找到CH2S.hzw结构文件的位置，选中CH2S.hzw结构文件，点击打开按钮则导入CH2S.hzw结构后的Device Studio界面如图8.11-3所示。在Device Studio中导入结构的其他方法这里不做详细说明，用户可参照导入结构节内容。

图8.11-3: 导入CH2S.hzw结构后的Device Studio图形界面

审核编辑：汤梓红