计算2万个原子的体系是怎样一种体验？

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一、背景介绍
随着计算机硬件的不断发展，计算机的计算能力得到飞速提升，以密度泛函理论（DFT）为代表的理论模拟计算方法的计算精度越来越高，越来越被大家所认可。但是由于方法的局限性，使用DFT方法能模拟的体系通常只能在几百个原子尺度，要模拟上千个原子就需要超大的计算集群，这是一般科研人员所无法承受的。对于实际材料体系，特别是半导体材料，材料本身都会有一些杂质缺陷，它们的浓度都是非常低的，但是对材料的性质却有很大的影响。想要研究这些低浓度缺陷就需要构建非常大的体系，传统的DFT方法难以实现。这里，龙讯旷腾科技有限公司利用charge patching method方法[1-4]，结合PWmat平面波GPU计算软件可以轻松实现研究上万个原子的缺陷体系，这种方法也可用于量子点、纳米线、纳米棒以及生物大分子体系的研究。
CPM方法是根据预先计算的电荷基序（motif）来构建纳米结构或者低浓度缺陷体系的电荷密度。这避免了在典型的自洽场迭代中计算所有占据状态，获得电荷密度，从而获得电位之后，可以通过我们独特的折叠光谱法和广义矩法计算这种大系统的电子结构。这些线性标度方法允许我们在不明确计算所有本征态的情况下计算重要的能带边缘态或态密度。后续的版本我们还会加入Chebyshev滤波方法，它允许计算指定能量范围内的本征态。欢迎有兴趣研究大体系的用户去PWmat官网（www.pwmat.com）下载使用，具体下载位置如下：http://www.pwmat.com/module-download。

二、实例展示
这里我们以半导体行业最重要的材料Si为例，展示PWmat + CPM的计算能力。我们构建了一个21952个Si原子的体系，在这个体系中用一个As原子替换了Si原子，实现了万分之一的掺杂浓度，我们用了一个64个Si掺杂1个As的体系来产生motif，这些motif用于拼接21952个Si原子体系的电荷密度，下面是一些具体的计算结果展示，具体的计算过程我们后续会写一个完整的教程，放在我们的网站上供大家参考。

21952个Si原子掺杂As

64个Si原子掺杂As（用于产生motif）

64个Si原子掺杂As体系提取的motif

21952个Si原子掺杂As体系的态密度

CPM方法计算得到的21952个Si原子掺杂As体系的VBM图

CPM方法计算得到的21952个Si原子掺杂As体系的CBM图

Reference:
[1]Generatingcharge densities of fullerenes. L.W. Wang, Phys. Rev. B 65,153410 (2002).
[2]Charge-DensityPatching Method for Unconventional Semiconductor Binary Systems. L.W. Wang,Phys. Rev. Lett. 88, 256402 (2002).
[3]ElectronicStructure Pseudopotential Calculations of Large (~1000 atoms) Si Quantum Dots.L.W. Wang, J. Phys. Chem. 98, 8, 2158-2165 (1994).
[4]Calculatingthe density of states and optical-absorption spectra of large quantum systemsby the plane-wave moments method. L.W. Wang, Phys. Rev. B 49, 10154 (1994).

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