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材料及化工

CRYSTAL 强大、高扩展性的固体化学和物理性质计算软件

       Crystal 是用于研究结晶固体的周期性边界条件量化计算软件。可计算晶体、准晶、含能材料、表面等固体周期体系材料和原子、分子、团簇、纳米线和无定型材料等非周期材料的电子结构。支持 HF、密度泛 函(DFT)方法和多种杂化泛函。Crystal不仅高效的进行结构优化,而且声子计算是该软件的最突出特点。

      CRYSTAL软件使用Hartree-Fock、密度泛函或各种混合近似方法计算周期体系的电子结构、几何结构、振动性质、磁学性质、介电性质(线性和非线性四阶电极化率),弹性性质、压电性质、光弹效应、热力学(准谐波近似)及输运性质。CRYSTAL程序电子态结构,所用的周期体系的Bloch函数用以原子为中心的高斯函数的线性组合展开。程序还使用了屏蔽技术以充分利用实空间的局域化特性。Crystal使用全电子基组或者价电子基组(有效核势)进行限制性闭壳层,限制性开壳层,或者非限制性计算。程序可以正确处理空间对称性(230个空间群,80个平面群,99个柱形群,32个点群)。点群对称性与平移对称性可以在分子体系上兼容。

       最新的17版本可全程自动进行通过准谐波近似计算体积相关热力学性质。可计算获得晶格热膨胀(各向同性和各向异性),恒压热力学性质、PVT状态方程、格鲁内森常数、体积模量的热依赖性(等温和绝热)。

具体功能如下: 

一、哈密顿量     

·Hartree-Fock 方法

          限制 HF(RHF) 

         非限制 HF(UHF)

         限制开壳 HF(ROHF)

· 密度泛函方法(DFT)

        半局域泛函:局域(L)、剃度修正(G)和 meta-GGA(T)

        杂化 HF-DFT 泛函

        全局杂化:B3PW、B3LYP、PBE0 等
        分区域杂化:
             库伦屏蔽(SC):HSE06、HSEsol、SC-BLYP
             Middle-e-range(MC):HISS
             长程修正(LC):LC-wPBE、LC-wPBEsol、wB97、wB97-X、RSHXLDA、
LC-BLYP、CAM-B3LYP
明尼苏达半局域和杂化泛函:
             M05:M05、M05-2X
             M06:M06、M06-2X、M06-HF、M06-L
       双杂化泛函:B2-PLYP、mPW2-PLYP、B2GP-PLYP
       用户自定义杂化泛函
       自洽全局杂化泛函(sc-hyb)
       基于数字格点的数字正交方案
       色散相互作用 London 类经验修正(DFT-D2)
       DFT-D3
·Grimme 结构双重修正方法取代 BSSE

·分子晶体复合方法:HF-3c 和 PBEh-3c

二、能量导数 
· 原子位置和胞参数一阶解析导数
        Hartree-Fock 和密度泛函方法(LDA、GGA、mGGA、全局和区域杂化)
       全电子和有效核势
· 外电场(CPHF/CPKS)解析导数,至四阶导数
       介电张量、极化率(线性光学性质)
·  一阶超极化率(非线性光学性质)
       二次谐波产生
       普克尔效应
·  二阶超极化率(非线性光学性质)
       扩展到开壳层系统和局域杂化泛函
·  混合线性导数,基于电场和原子位移或胞形变(CPHF/CPKS)
       Born 电荷张量
       Raman 极化张量
直接压电张量(电子部分)


三、计算类型 
· 单点能计算
       Fock 矩阵混合机制
       Broyden 收敛加速器
       Anderson 收敛加速器
       DIIS 收敛加速器
       定义磁性体系初始猜测工具
       分数电荷体系
       采用分数自旋
       自旋污染校正
· 结构优化 
       准牛顿算法
       对称试用卡迪尔坐标优化
       冗余坐标优化
       新的内部坐标处理和后向变换算法
       完整结构优化(胞优化和坐标优化)
       优化过程可冻结原子
       恒定体积或压强条件下优化(3D)
        过渡态搜索
·简谐振动振动频率
        Gamma 点简谐振动频率
        采用直接近似计算声子散射(有效超胞算法)
        声子能带结构和 DOSs 
        计算原子位移参数和 Debye-Waller 因子
        基于 Wannier 函数和 Berry 相的 IR
        基于 CPHF/CPKS 解析近似的 IR 和 Ramman
        模拟反射、IR 和 Ramman 光谱
        介电张量中振动贡献
        一阶超极化率中振动贡献
        在选定的正常模式下探索能能量和几何
        总的和投影振动态密度(VDOS)
        非弹性中子散射中中子加权 VDOS
·X-H 键非谐频率
·自动完成晶体的弹性张量计算
        推广到 2D 和 1D 系统
        定向地震波速度的计算

        通过 Voigt-Reuss-Hill 算法计算各向同性多晶聚集体的弹性性能
        压强下弹性张量
        基于 AWESOME 的完整的弹性波速分析
        通过内应变张量的核驰豫
·自动完成 E vs V 关系计算,拟合状态方程(3D)
         Murnaghan、Birch-Murnaghan、Vinet、Poirer-Tarantola 和多项式
·自动准简谐近似(QHA)计算热力学性质
          体积相关热力学性质
          晶格热膨胀(各向异性)
          P-V-T 状态方程
          定压热力学性质
          温度相关体模量(定温和绝热)- Gruneisen 参数
·自动计算压电和光弹性张量
          直接和相反的压电性(基于 Berry 相近似)
          通过 CPHF / CPKS 方案的弹光张量
          光电弹性性质的电场频率依赖性
          通过内应变张量计算压电张量中核驰豫相
          压电四阶张量
          基于 CPHF/KS 算法的解析压电张量
·改进模拟固体工具
           生成配置文件
           自动算法计算特定构型的能量(包括或不包括结构优化)


四、基组 
·Gaussian 类型基组
            s、p、d 和 f 轨道的 GTFs
            标准的 Pople 基组
                 STO-nG,n=2-6(H-Xe),3-21G(H-Xe),6-21G(H-Ar)
                 扩展计划和弥散函数
             支持用户定义扩展库
             支持用户指定基组
· 赝势基组
      支持的基组:
              Hay-Wadt 大内核
              HayWadt 小内核
       用户定义赝势基组


五、周期体系 
· 周期性

       对所有周期性系统进行一致的处理
       3D 晶体(230 空间群)
       2D 薄膜表面(80 层组)
       1D 聚合物
       空间群体衍生的对称性(75 组)
       螺旋对称(直到 48 阶)
   1D 纳米管和纳米线(任意对称操作)
   0D 分子(32 点群)
· 自动结构编辑
    3D 到 2Dslab 模型(hkl)
    3D 到 0D 团簇(H 饱和)
    3D 到 0D 从分子晶体提取分子
    3D 到 n3D 超胞建立
    2D 到 1D 建立纳米管
    2D 到 0D 建立富勒烯累和无定型结构
    3D 到 1D,0D 建立纳米棒和纳米颗粒
    2D 到 0D,Wulf多面体由表面能量构建
    多种结构操作功能(降低对称性、插入、移动、取代、删除原子


六、波函数分析和性质 
· 能带结构
· 态密度
      能带投影 DOSS
      AO 投影 DOSS
· 晶体轨道重叠和 Hamiltonian Populations
· 全电子电荷密度 - 自旋密度
       密度分布
       Mulliken 布局数分析
       密度解析
       Hirshfeld-l 配分算法
· 晶体轨道 3D 绘图
· 电子输运性质
        Boltzmann 输运性质
        电子导电性
        Seebeck 系数
        热导性中电子贡献
        纳米结的输运性质
· 原子多极
· 电场
· 电场梯度
· 静态结构因素和动态结构因素,包括 Deby-Waller 因子
· 电子动量密度和康普顿分布
        电子动量密度
        自动各向异性图
        根据 Wannier 函数进行分区
· 静电势及其衍生性质
        量子和经典静电势

        静电势图
· 费米接触
· 局域 Wannier 函数(Boys 方法)
· Mossbauer 效应(各向同行效应和四极相互作用
· 介电性质
         自发极化
         Berry 相
         局域 Wannier 函数
        介电常数,有限域近似
· 通过 TOPOND 软件包对电子电荷密度的拓扑分析,完全集成在程序中

七、软件性能 
· 内存管理:动态分配
· 代码完全并行化
          并行 SCF、HF 和 DFT 梯度计算
          复制的数据版本(MPI)
          性质计算模块并行化
          IRREPs 并行策略
          分布式内存并行(MPI),改进版:消耗更少内存,更好的标度
· 增强了点群对称性的开发


八、界面 
CRYSCOR(串行版本)的内部接口,用 L-MP2 相关能级别和双杂化泛函计算一维,二
维和三维周期性非导电系统的电子结构。
TOPOND 内部结构,分析电荷密度
WanT 的外部结构,计算纳米结的输运性质


九、可视化工具 
基于 web 的可视化工具,可图示能带、态密度、2D 图、振动谱和其他