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基本簡(jiǎn)介和新手快速入門指南及圖形界面，本期將介紹Device Studio支持的文件類型及結(jié)構(gòu)建模5.1-5.3的內(nèi)容。

4.支持的文件類型

Device Studio支持的文件類型有.hzw、.xyz、.cif、.xsd、scf.input、.py、POSCAR、CONTCAR等，其中.hzw為Device Studio特有文件格式。Device Studio可根據(jù)用戶需要導(dǎo)出.hzw、.xyz格式的結(jié)構(gòu)文件，并可將結(jié)構(gòu)文件的3D可視化結(jié)果以.png圖片格式導(dǎo)出；對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)，可識(shí)別其空間群結(jié)構(gòu)信息，并導(dǎo)出.cif格式的結(jié)構(gòu)文件。

5.結(jié)構(gòu)建模

Device Studio支持從本地或在線數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)，或在導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上搭建新的結(jié)構(gòu)，支持創(chuàng)建各種分子、晶體和LCR/LR/FCB/FB/BCT/BT等典型的器件結(jié)構(gòu)。Device Studio可根據(jù)用戶提出的匹配精度要求，自動(dòng)劈裂晶面，并進(jìn)行匹配搭建器件結(jié)構(gòu)，可以自動(dòng)匹配搭建多層膜器件或晶體結(jié)構(gòu)。

5.1.導(dǎo)入結(jié)構(gòu)

導(dǎo)入結(jié)構(gòu)前需要?jiǎng)?chuàng)建新項(xiàng)目或打開(kāi)已建項(xiàng)目，在存在項(xiàng)目的基礎(chǔ)上導(dǎo)入結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建項(xiàng)目的操作為：雙擊Device Studio圖標(biāo)快捷方式登錄并啟動(dòng)軟件，其圖形界面如圖5.1-1所示，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(kāi)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DeviceStudio。

圖5.1-1: 啟動(dòng)軟件后選擇創(chuàng)建或打開(kāi)項(xiàng)目的圖形界面

5.1.1.本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)

Device Studio自帶本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)包含500多種常用或熱門材料，后期將會(huì)不斷更新壯大數(shù)據(jù)庫(kù)，若用戶需大量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，可關(guān)注鴻之微軟件FIRST，該軟件內(nèi)置了三大數(shù)據(jù)庫(kù)QuickMol、QuickCrystal和ACED，材料條目超過(guò)1000萬(wàn)。用戶可通過(guò)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)入ZnO-MgO-Si器件結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的操作如圖5.1-2紅色部分所示：File→Import→Import Local，之后彈出圖形界面如圖5.1-3所示，根據(jù)界面提示在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中找到ZnO-MgO-Si所在的文件夾，選中ZnO-MgO-Si結(jié)構(gòu)文件，點(diǎn)擊圖5.1-3中的打開(kāi)按鈕即可導(dǎo)入ZnO-MgO-Si結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入ZnO-MgO-Si結(jié)構(gòu)后的圖形界面如圖5.1-4所示，其中ZnO-MgO-Si.hzw結(jié)構(gòu)文件在 Project Explorer（項(xiàng)目管理）區(qū)域，結(jié)構(gòu)的3D視圖顯示在3D Viewer（3D顯示）區(qū)域。

若不想通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)，知道結(jié)構(gòu)文件的位置，如ZnO-MgO-Si結(jié)構(gòu)，直接鼠標(biāo)左擊選中該結(jié)構(gòu)文件，拖動(dòng)到Device Studio的Project Explorer（項(xiàng)目管理）區(qū)域即可導(dǎo)入該結(jié)構(gòu)，同時(shí)其結(jié)構(gòu)的3D視圖顯示在3D Viewer（3D顯示）區(qū)域。

圖5.1-2: 彈出本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)操作界面

圖5.1-3: 選中ZnO-MgO-Si結(jié)構(gòu)文件界面

圖5.1-4: 導(dǎo)入ZnO-MgO-Si結(jié)構(gòu)后的Device Studio界面

5.1.2.在線數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)

Device Studio支持連接在線數(shù)據(jù)庫(kù)Materials Project，如圖5.1-5紅色部分所示：點(diǎn)擊File→Import→Import Online則彈出從Materials Project數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的界面，在該界面中用戶可通過(guò)輸入元素、化學(xué)式或mp序號(hào)的方式來(lái)搜索原子結(jié)構(gòu)。

圖5.1-5: 彈出在線數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)操作界面

如圖5.1-6所示，通過(guò)輸入元素來(lái)搜索結(jié)構(gòu)，輸入Si元素，點(diǎn)擊Search按鈕或點(diǎn)擊鍵盤(pán)Enter鍵，則出現(xiàn)很多只含有Si元素的原子結(jié)構(gòu)，如Si4結(jié)構(gòu)，左邊為其詳細(xì)的化學(xué)式，右邊為其對(duì)應(yīng)的空間群結(jié)構(gòu)，選中之后可在界面左下角紅色框區(qū)域查看該結(jié)構(gòu)的化學(xué)式、空間群對(duì)稱信息以及原子坐標(biāo)等詳細(xì)信息；可在界面右下角紅色框區(qū)域查看到該結(jié)構(gòu)的3D顯示。對(duì)于結(jié)構(gòu)的3D顯示，可通過(guò)滾動(dòng)鼠標(biāo)中鍵將3D顯示結(jié)果放大或縮小；可鼠標(biāo)右鍵選中該結(jié)構(gòu)，通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)來(lái)將3D視圖顯示結(jié)果進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，確定好搜索的原子結(jié)構(gòu)后點(diǎn)擊界面中的Add按鈕則可將該原子結(jié)構(gòu)導(dǎo)入，其結(jié)構(gòu)文件保存在軟件的項(xiàng)目管理區(qū)域（Project Explorer），同時(shí)可在3D顯示區(qū)域查看到該原子結(jié)構(gòu)的3D視圖顯示，通過(guò)在線數(shù)據(jù)庫(kù)Materials Project導(dǎo)入Si4結(jié)構(gòu)后的Device Studio界面如圖5.1-7所示。

圖5.1-6: Materials Project元素搜索并導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的操作界面

圖5.1-7: 導(dǎo)入Si4結(jié)構(gòu)后的Device Studio界面

通過(guò)化學(xué)式、mp序號(hào)來(lái)搜索并導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的操作與通過(guò)元素搜索并導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的操作一致，其操作界面分別如圖5.1-8、5.1-9所示。

圖5.1-8: Materials Project化學(xué)式搜索并導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的操作界面

圖5.1-9: Materials Project mp序號(hào)搜索并導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的操作界面

5.2.2D分子建模

Device Studio 2022A版新增2D分子建模功能，在2D分子建模的界面中，其工具欄包含繪制分子結(jié)構(gòu)式的多種鍵和工具，包括化學(xué)鍵、環(huán)形模板、折疊鏈、船式結(jié)構(gòu)、椅式結(jié)構(gòu)、箭頭、邊框以及文本編輯工具等，用戶可通過(guò)該功能快捷方便的繪制各種2D平面分子結(jié)構(gòu)式和編寫(xiě)方程式，并支持將2D分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為3D分子結(jié)構(gòu)。

Device Studio具有對(duì)2D分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行編輯的功能，用戶可對(duì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、修改鍵寬、鍵長(zhǎng)、鍵位顏色、鍵位類型、鍵位屬性轉(zhuǎn)換、加氫、減氫、加電荷、減電荷等操作。

以搭建3個(gè)相連苯環(huán)的2D分子結(jié)構(gòu)并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的3D分子結(jié)構(gòu)為例，其搭建步驟如圖5.2-1所示。

(a): 彈出2D分子建模界面操作

(b): 2D分子建模界面

(c): 搭建2D分子結(jié)構(gòu)并轉(zhuǎn)換為3D分子結(jié)構(gòu)操作

(d): 2D分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為3D分子結(jié)構(gòu)后的Device Studio界面

(e): 優(yōu)化轉(zhuǎn)換后的3D分子結(jié)構(gòu)操作

圖5.2-1: Device Studio搭建2D分子結(jié)構(gòu)并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的3D分子結(jié)構(gòu)的操作步驟

5.3.3D分子建模

Device Studio 2022A版新增3D分子建模功能，用戶可通過(guò)該功能方便快捷的搭建3D分子結(jié)構(gòu)，Device Studio支持對(duì)3D分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行編輯，并可查看分子結(jié)構(gòu)的原子坐標(biāo)和原子之間成鍵的詳細(xì)信息，可對(duì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行共鍵調(diào)整、原子夾角調(diào)整、二面角調(diào)整、加氫、平移、旋轉(zhuǎn)、重命名、復(fù)制片段、增、刪、改等一系列操作。Device Studio搭建3D分子結(jié)構(gòu)的操作界面如圖5.3-1所示。

(a): 彈出3D分子建模界面操作

(b): 3D分子建模界面

(c): 搭建3D分子結(jié)構(gòu)操作一

(d): 搭建3D分子結(jié)構(gòu)操作二

(e): 優(yōu)化搭建好的3D分子結(jié)構(gòu)

圖5.3-1: Device Studio搭建3D分子結(jié)構(gòu)的操作步驟

審核編輯 ：李倩