Device Studio應(yīng)用實(shí)例之LAMMPS應(yīng)用實(shí)例

Device Studio（簡(jiǎn)稱：DS）作為鴻之微的材料設(shè)計(jì)與仿真軟件，能夠進(jìn)行電子器件的結(jié)構(gòu)搭建與仿真；能夠進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)和納米器件的建模；能夠生成科研計(jì)算軟件 Nanodcal、Nanoskim、MOMAP、RESCU、DS-PAW、BDF、STEMS、TOPS、PODS、VASP、LAMMPS、QUANTUM ESPRESSO、Gaussian的輸入文件并進(jìn)行存儲(chǔ)和管理；可以根據(jù)用戶需求，將輸入文件傳遞給遠(yuǎn)程或本地的計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，并控制計(jì)算流程；可以將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化顯示和分析。

上一期的教程給大家介紹了Device Studio應(yīng)用實(shí)例之Nanodcal應(yīng)用實(shí)例的內(nèi)容，本期將介紹Device Studio應(yīng)用實(shí)例之LAMMPS應(yīng)用實(shí)例的內(nèi)容。

8.2.LAMMPS實(shí)例

LAMMPS即Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator，大規(guī)模原子分子并行模擬器，主要用于分子動(dòng)力學(xué)相關(guān)的一些計(jì)算和模擬工作。一般來講，分子動(dòng)力學(xué)所涉及到的領(lǐng)域，LAMMPS代碼也都涉及到了。LAMMPS由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，以GPL license發(fā)布，即開放源代碼且可以免費(fèi)獲取使用，這意味著使用者可以根據(jù)自己的需要自行修改源代碼。LAMMPS程序在模擬固態(tài)材料（金屬、半導(dǎo)體）、柔性物質(zhì)（生物分子、聚合物）、粗粒度介觀體系等方向具有廣泛的應(yīng)用。LAMMPS 程序內(nèi)置多種原子間勢(shì)（力場(chǎng)模型），可以實(shí)現(xiàn)原子、聚合物、生物分子、固態(tài)材料（金屬、陶瓷、氧化物）、粗粒度體系的建模和模擬。該程序即可以模擬二維體系，也可以模擬三維體系，可以模擬多達(dá)數(shù)百萬甚至數(shù)十億粒子的分子體系，并提供支持多種勢(shì)函數(shù)，具有良好的并行擴(kuò)展性、模擬效率高、計(jì)算時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

分子動(dòng)力學(xué)模擬（Molecular Dynamics，MD）是近年來飛速發(fā)展的一種分子模擬方法，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化學(xué)化工、材料科學(xué)與工程、物理、生物醫(yī)藥等科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域，起到越來越重要的作用。MD模擬用來研究不能用解析方法來解決的復(fù)合體系的平衡性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，用來搭建理論和實(shí)驗(yàn)的橋梁，在數(shù)學(xué)、生物、化學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)交叉學(xué)科占據(jù)重要地位。

LAMMPS軟件官網(wǎng):詳見https://lammps.sandia.gov

鴻之微科技（上海）股份有限公司在Device Studio 2021B中開發(fā)了適用于分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件 LAMMPS 的計(jì)算模塊。使用Device Studio，用戶可在其圖形界面中方便快捷的搭建或?qū)胗?jì)算所需的結(jié)構(gòu)，并可在3D顯示區(qū)域查看其結(jié)構(gòu)的3D視圖。搭建好結(jié)構(gòu)后，用戶可在LAMMPS計(jì)算模塊，根據(jù)計(jì)算需要，在簡(jiǎn)潔友好的界面中設(shè)置參數(shù)生成計(jì)算所需的輸入文件，之后連接裝有LAMMPS的本地電腦或遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，在計(jì)算過程中可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)任務(wù)的計(jì)算狀態(tài)，計(jì)算完成后可對(duì)LAMMPS的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化分析。

目前用戶可通過Device Studio生成LAMMPS以下計(jì)算輸入文件的生成：結(jié)構(gòu)弛豫、熱力學(xué)性質(zhì)（熱膨脹系數(shù)、體積熱容、等壓熱容）、輸運(yùn)性質(zhì)（均方位移、速度自相關(guān)函數(shù)、熱導(dǎo)率）、力學(xué)性質(zhì)（楊氏模量、剪切模量）、淬火、退火模擬；結(jié)合OVITO軟件可對(duì)LAMMPS計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)分析。

以對(duì)金屬鋁沿X軸方向以一定的恒定應(yīng)變速率拉伸的形變模擬為例來詳細(xì)描述 LAMMPS 在Device Studio中的應(yīng)用。

8.2.1.LAMMPS計(jì)算流程

LAMMPS分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算在Device Studio中的流程如圖8.2-1所示。

圖8.2-1: LAMMPS計(jì)算流程

8.2.2.LAMMPS創(chuàng)建項(xiàng)目

雙擊DeviceStudio圖標(biāo)快捷方式啟動(dòng)軟件，根據(jù)界面提示選擇創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目（Create a new Project）或打開一個(gè)已經(jīng)存在的項(xiàng)目（Open an existing Project）的按鈕，選中之后點(diǎn)擊界面中的OK按鈕即可。若選擇創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目，用戶可根據(jù)需要給該項(xiàng)目命名，如本項(xiàng)目命名為L(zhǎng)AMMPS，或采用軟件默認(rèn)項(xiàng)目名。

8.2.3.LAMMPS導(dǎo)入結(jié)構(gòu)

在Device Studio的圖形界面中點(diǎn)擊File→Import→Import Local， 則彈出導(dǎo)入LAMMPS結(jié)構(gòu)文件的界面，根據(jù)界面提示找到Al_Rede.hzw結(jié)構(gòu)文件的位置，選中Al_Rede.hzw結(jié)構(gòu) 文件，點(diǎn)擊打開按鈕則導(dǎo)入Al_Rede.hzw結(jié)構(gòu)后的Device Studio界面如圖8.2-2所示。

圖8.2-2: 導(dǎo)入Al_Rede.hzw結(jié)構(gòu)后的Device Studio圖形界面

8.2.4.LAMMPS輸入文件的生成

在如圖8.2-2所示的界面中選中Simulator→LAMMPS→Calculation， 彈出LAMMPS的參數(shù)設(shè)置界面LAMMPS Calculation如圖8.2-3所示。LAMMPS的參數(shù)設(shè)置界面主要分為Task、Force field、Setting和Run simulation四個(gè)模塊，用戶可根據(jù) 計(jì)算需要，依次點(diǎn)擊四個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，之后點(diǎn)擊Generate files即可生成對(duì)應(yīng)計(jì)算的輸入文件。

圖8.2-3: LAMMPS的參數(shù)設(shè)置界面LAMMPS Calculation

以生成對(duì)金屬鋁沿X軸方向以一定的恒定應(yīng)變速率拉伸的形變模擬的輸入文件為例，在如圖8.2-3所示的LAMMPS參數(shù)設(shè)置界 面中，根據(jù)計(jì)算需要分別選中Task、Force field、Setting和Run simulation，設(shè)置參數(shù)分別如圖8.2-4（a）、8.2-4（b）、8.2-4（c）和8.2-4（d）所示，之后點(diǎn)擊界面中的Generate files即可生成輸入文件Al_Rede.in、Al_Rede.data。

圖8.2-4(a): Task參數(shù)設(shè)置界面

Task說明

結(jié)構(gòu)弛豫（Structure Optimization）。

熱力學(xué)性質(zhì)（Thermodynamic Properties），其中熱力學(xué)性質(zhì)任務(wù)包括熱膨脹系數(shù)（Thermal expansion）、體積熱容（Volumetric heat capacity）、等壓熱容（Isobaric heat capacity）。

輸運(yùn)性質(zhì)（Transport Properties），其中輸運(yùn)性質(zhì)任務(wù)包括均方位移（MSD）、速度自相關(guān)函數(shù)（VACF）、熱導(dǎo)率（Thermal conductivity）。

力學(xué)性質(zhì)（Mechanical Properties），其中力學(xué)性質(zhì)包括楊氏模量（Young’s modulus）、剪切模量（Shear modulus）。

淬火模擬（Quench）。

退火模擬（Anneal）。

圖8.2-4(b): Force field參數(shù)設(shè)置界面

Force field說明

在Force field模塊，目前用戶可選擇EAM和MEAM兩種力場(chǎng)類型，用戶需提前自行準(zhǔn)備力場(chǎng)文件，并在Select forcefield file部分選定所需力場(chǎng)文件。

圖8.2-4(c): Setting參數(shù)設(shè)置界面

圖8.2-4(d): Run simulation參數(shù)設(shè)置界面

生成對(duì)金屬鋁沿X軸方向以一定的恒定應(yīng)變速率拉伸的形變模擬的輸入文件Al_Rede.in、Al_Rede.data的Device Studio界面如圖8.2-5所示。

圖8.2-5: 生成對(duì)金屬鋁沿X軸方向以一定的恒定應(yīng)變速率拉伸的形變模擬的輸入文件的Device Studio界面

8.2.5.LAMMPS計(jì)算

在做對(duì)金屬鋁沿X軸方向以一定的恒定應(yīng)變速率拉伸的形變模擬之前，需連接裝有LAMMPS的本地電腦或服務(wù)器，具體連接過程這里 不做詳細(xì)說明，用戶可參考Nanodcal連接服務(wù)器節(jié)內(nèi)容。這里以在本地電腦上計(jì)算為例，連接好裝有LAMMPS的本地電腦后，在做 計(jì)算之前，用戶可根據(jù)需要打開輸入文件并查看文件中的參數(shù)設(shè)置是否合理，若不合理，則可選擇直接在文件中編輯或重新生成，最后再進(jìn) 行LAMMPS計(jì)算。如打開Al_Rede.in文件，在Device Studio的Project Explorer區(qū)域選中Al_Rede.in→ 右擊 →Open with即可查看到Al_Rede.in文件如圖8.2-6所示。對(duì)于其他輸入文件，用戶可根據(jù)需要選擇是否打開查看， 這里不做詳細(xì)說明。

圖8.2-6:Al_Rede.in文件

在如圖8.2-5所示界面中，在Device Studio的的Project Explorer區(qū)域選中Al_Rede.in→ 右擊 →Run，彈出Run 界面，在Run界面中點(diǎn)擊Run按鈕則可做LAMMPS計(jì)算。用戶可在Job Manager區(qū)域中觀察LAMMPS的計(jì)算狀態(tài)，當(dāng)LAMMPS計(jì)算 任務(wù)處于排隊(duì)中、計(jì)算中和計(jì)算完成時(shí)，Status分別為Queued、Running、Finished。計(jì)算完成后，選中Al_Rede.in→ 右擊 →Open Containing Folder可看到LAMMPS計(jì)算完成的結(jié)果文件Young-Stress.dat和Al_Rede-tension-300K.dump，并找到其在本地電腦中存儲(chǔ)位置。

8.2.6.LAMMPS計(jì)算結(jié)果的可視化分析

在Device Studio的圖形界面中，選中文件Al_Rede-tension-300K.dump→ 右擊 →Show View，則彈出LAMMPS計(jì)算結(jié)果的可視化分析界面如圖8.2-7所示。

圖8.2-7: LAMMPS計(jì)算結(jié)果的可視化分析界面