计算软件介绍siesta、vasp、wien2k、PWSCF、Materials Studio
1 siesta
背景介绍：(Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands ofAtoms)是一种实现电子结构计算和第一性原理分子动力学模拟的程序，同时也是一种实现的方法。软件主要由剑桥大学地球科学系Emilio教授、西 班牙马德里Autónoma大学的Soler与其他大学的研究人员共同开发的。SIESTA最早于1997年发布SIESTA 0.8版本，分别经历了SIESTA 0.9、SIESTA1.1、SIESTA1.3, 现在最新的版本是SIESTA2.0，它于2006年开发完成的。
软件功能：SIESTA用于分子和固体的电子结构计算和分子动力学模拟。SIESTA使用标准的Kohn-Sham自恰密度泛函方法，结合局域密度近似 (LDA-LSD)或广义梯度近似(GGA)。计算使用完全非局域形式(Kleinman-Bylander)的标准守恒赝势。基组是数值原子轨道的线性 组合(LCAO)。它允许任意个角动量，多个zeta，极化和截断轨道。计算中把电子波函和密度投影到实空间网格中，以计算Hartree和XC势，及其 矩阵元素。除了标准的Rayleigh-Ritz本征态方法以外，程序还允许使用占据轨道的局域化线性组合。使得计算时间和内存随原子数线性标度，因而可 以在一般的工作站上模拟几百个原子的体系。程序用Fortran 90编写，可以动态分配内存，因此当要计算的问题尺寸发生改变时，无需重新编译。程序可以编译为串行和并行模式。
软件主要有以下功能:
l 总能量和部分能量
l 原子力
l 应力张量
l 电偶极矩
l 原子，轨道和键分析 (Mulliken)
l 电子密度
l 几何松弛，固定或者改变晶胞
l 常温分子动力学
l 可变晶胞动力学 (Parrinello-Rahman)
l 自旋极化计算（共线或者非共线）
l BZ区的k-取样
l 态的局域和轨道投影密度
l 能带结构
l 通过过滤或移到原子格点的方法平滑“蛋箱效应”
l HF和混和泛函
l 用多格点方法对溶剂中的分子计算Poisson-Boltzman方程
l 其它的线性标度方法
l 增强的MD历史框架
Siesta 3.0新增功能：
- 功能增強：TranSiesta功能；主程序模块化；计算COOP/COHP/PDOS曲线的新程序，用于化学分析；优化基组、赝势的工具程序；新的过滤流程，用于减少蛋箱结构的影响。
- 新的工具：新版本denchar；新的检查蛋箱脚本；赝势文件解释器；加入新的STM-图像代码；Python、Matlab、Octave语言的脚本工具。
- 新的功能：更灵活的产生基组选项；正确处理带电表面；Ordejon-Mauri线性标度泛函支持奇数电子；PBEsol和Wu-Cohen泛函；优化的增强；新的分子力学框架，包括Grimme型vdW；任意k点。
2 vasp
VASP是使用赝势和平面波基组，进行从头量子力学分子动力学计算的软件包，它基于CASTEP 1989版开发。VAMP/VASP中的方法基于有限温度下的局域密度近似（用自由能作为变量）以及对每一MD步骤用有效矩阵对角方案和有效Pulay混 合求解瞬时电子基态。这些技术可以避免原始的Car-Parrinello方法存在的一切问题，而后者是基于电子、离子运动方程同时积分的方法。离子和电 子的相互作用超缓Vanderbilt赝势(US-PP)或投影扩充波(PAW)方法描述。两种技术都可以相当程度地减少过渡金属或第一行元素的每个原子 所必需的平面波数量。力与张量可以用VAMP/VASP很容易地计算，用于把原子衰减到其瞬时基态中。
功能
一、VASP程序的亮点：
1、VASP使用PAW方法或超软赝势，因此基组尺寸非常小，描述体材料一般需要每原子不超过100个平面波，大多数情况下甚至每原子50个平面波就能得到可靠结果。
2、在平面波程序中，某些部分代码的执行是三次标度。在VASP中，三次标度部分的前因子足可忽略，导致关于体系尺寸的高效标度。因此可以在实空间求解势的非局域贡献，并使正交化的次数最少。当体系具有大约2000个电子能带时，三次标度部分与其它部分可比，因此VASP可用于直到4000个价电子的体系。
3、VASP使用传统的自洽场循环计算电子基态。这一方案与数值方法组合会实现有效、稳定、快速的Kohn-Sham方程自洽求解方案。程序使用的迭代矩阵对角化方案（RMM-DISS和分块Davidson）可能是目前最快的方案。
4、VASP包含全功能的对称性代码，可以自动确定任意构型的对称性。
5、对称性代码还用于设定Monkhorst-Pack特殊点，可以有效计算体材料和对称的团簇。Brillouin区的积分使用模糊方法或四面体方法。四面体方法可以用Blöchl校正去掉线性四面体方法的二次误差，实现更快的k点收敛速度。
二、VASP 5.2的新功能：
1、大规模并行计算需要较少的内存。
2、加入新的梯度校正泛函AM05和PBEsol；用标准PBE POTCAR文件提供新泛函；改善了单中心处理。
3、离子位置和格矢中加入有限差分，从而得到二阶导，用于计算原子间力常数和声子（需要超晶胞近似），和弹性常数。计算中自动考虑对称性。
4、离子位置和静电场中加入线性响应，从而得到二阶导，用于计算原子间力常数和声子（需要超晶胞近似），Born有效电荷张量，静态介电张量（电子和离子贡献），内应变张量，压电张量（电子和离子贡献）。线性响应只能用于局域和半局域泛函。
5、精确的非局域交换和杂化泛函：Hartree-Fock方法；杂化泛函，特别是PBE0和HSE06；屏蔽交换；（实验性的）简单模型势GW-COHSEX，用于经验的屏蔽交换内核；（实验性的）杂化泛函B3LYP。
6、通过本征态求和计算含频介电张量：使用粒子无关近似，或通过GW的随机相近似。可用于局域，半局域，杂化泛函，屏蔽交换，和Hartree-Fock。
7、完全含频GW，速度达到等离子极点模型：单发G0W0；在G和W中迭代本征矢直至自洽；（实验性的）迭代G（也可以选W）本征矢的自洽GW；（实验性的）对相关能使用RPA近似的GW总能量；用LDA计算G和W的顶点校正（局域场效应），仅能用于非自旋极化的情况；（实验性的）W的多体顶点校正，仅能用于非自旋极化的情况。
实验性的功能：用TD-HF和TD-杂化泛函求解Cassida方程（仅能用于非自旋极化的Tamm-Dancoff近似）；GW顶点的Bethe-Salpeter（仅能用于非自旋极化的Tamm-Dancoff近似）。
3 wien2k
中文介绍
用密度泛函理论计算固体的电子结构。它基于键结构计算最准确的方案——完全势能（线性）增广平面波((L)APW)+局域轨道(lo)方法。在密度泛函中可以使用局域（自旋）密度近似(LDA)或广义梯度近似(GGA)。WIEN 2000使用全电子方案，包含相对论影响。
英文介绍
The program package WIEN2k allows to perform electronic structure calculations of solids using density functional theory (DFT). It is based on the full-potential (linearized) augmented plane-wave ((L)APW) + local orbitals (lo) method, one among the most accurate schemes for band structure calculations. In DFT the local (spin) density approximation (LDA) or the improved version of the generalized gradient approximation (GGA) can be used. WIEN2k is an all-electron scheme including relativistic effects and has many features.
In the last years it became a tradition to have at least one "WIEN-workshop" every year, where new and experienced users can learn more about the code, interchange ideas and share experiences. This series started in 1993 in Vienna and subsequent workshops were held not only in Vienna, but also in Trieste, Isfahan (Iran), twice at PennState (US), in Kyoto (Japan) and at UCLA (California,US). In April 2006 we have held a WIEN2k-workshop in Vienna, which was joined together with the DFTEM2006 conference in honor of Karlheinz Schwarz, where we celebrated his 65th birthday.
For 2007 we plan two workshops, one organized by the Inst. of High Performance Computing (IHCP) in Singapore and one again at PennState Univ. in the US organized by J.Sofo.
功能
1、计算固体特性。
2、键能和态密度，电子密度和自旋密度，X射线结构因子，Baders的“分子中的原子”概念，总能量，力，平衡结构，结构优化，分子动力学，电场梯度，异构体位移，超精细场，自旋极化（铁磁性和反铁磁性结构），自旋-轨道耦合，X射线发射和吸收谱，电子能量损失谱计算固体的光学特性。
3、费米表面。
4、LDA，GGA，meta-GGA，LDA+U，轨道极化。
5、中心对称和非中心对称晶格，内置230个空间群。
6、图形用户界面和用户指南。
7、友好的用户环境W2web (WIEN to WEB)可以很容易的产生和修改输入文件
8、帮助用户执行各种任务（如电子密度，态密度等。
平台：Unix / Linux。
4 PWSCF
官方主页:http://www.quantum-espresso.org/
简介
ESPRESSO意为“op(E)n (S)ource (P)ackage for (R)esearch in (E)lectronic (S)tructure, (S)imulation, and (O)ptimization”。Quantum-ESPRESSO软件包基于密度泛函理论，使用平面波基组和赝势。它包含以下代码：
1、PWscf：电子结构，结构优化，分子动力学，振动特性和介电特性。
2、FPMD：Car-Parrinello可变晶胞的分子动力学程序。它基于R. Car和M. Parrinello的原始代码。
3、CP：Car-Parrinello可变晶胞的分子动力学程序。它基于R. Car和M. Parrinello的原始代码。
4、PWgui：产生PWscf输入文件的图形用户界面。
5、atomic：用于原子计算和产生赝势。
功能
一、基态计算：
1、自洽场总能量，力，和张量。
2、使用迭代对角技术，阻尼动力学，和共轭梯度进行能量最小化。
3、Kohn-Sham轨道。
4、Gamma点，k点取样，各种展宽技术（Fermi-Dirac，Gaussian，Methfessel-Paxton，Marzari-Vanderbilt）。
5、模守恒赝势和超软赝势，PAW。
6、交换关联泛函：LDA，GGA（PW91，PBE，B88-P86，BLYP），meta-GGA，精确交换泛函，杂化泛函。
7、LDA+U。
8、Berry相极化。
9、自旋轨道耦合和非共线磁性。
10、最大局域化函数。
二、响应特性（密度泛函微扰理论）：
1、声子频率，以及任意波矢的本征矢。
2、完全声子色散，实空间的原子间力常数。
3、平移和转动的声音求和规则。
4、有效电荷和色散张量。
5、电-声相互作用。
6、三阶非谐声子寿命。
7、红外和Raman交叉部分。
8、EPR和NMR化学位移。
三、从头分子动力学：
1、Car-Parrinello分子动力学。
2、Born-Oppenheimer分子动力学。
四、结构优化：
1、使用准牛顿BFGS条件的GDIIS。
2、阻尼动力学。
3、离子共轭梯度最小化。
4、投影速度Verlet算法。
5、过渡态和能量最小化。
6、Born-Oppenheimer NEB。
7、Born-Oppenheimer弦动力学。
5 frophon
官网：http://fropho.sourceforge.net/
fropho calculates phonon in crystal, which is based on Parlinski-Li-Kawazoe method. Information of forces acting on atoms when an atom is displaced is required as input information. Convenient tools for the VASP code are prepared. The development of fropho is going to be replaced by phonopy. phonopy has the interface to the VASP-DFPT force-constants.
Function:
Phonon band structure
Phonon DOS (Vibrational spectra)
Thermal properties
Mulliken notation assignment of vibration mode
Feature:
Crystal symmetry check (relying on spglib)
Reducing cost to calculate forces and improving accuracy.
Space group determination
Distortion cleaning of crystal structure.
Other:
Tools for handling VASP output to make input files are attached
Fropho 是一个使用 Fortran 语言编写用于实现晶体声子谱分析程序。它目前提供了VASP、Wien2K 的接口用来计算原子受力，通过分析原子受力得到力常数矩阵。从而根据力常数矩阵进行材料的声子谱及热性能分析。其主要功能有：
计算声子色散谱；
计算声子态密度，包括分立态密度；
声子热力学性质，包括自由能，热容量，焓。
接下来简要介绍程序的编译，通过一个简单的算例来介绍它的使用方法。
5 Materials Studio
官方主页：http://accelrys.com/products/materials-studio/
简介
Materials Studio是ACCELRYS公司专门为材料科学领域研究者所涉及的一款可运行在PC上的模拟软件。它可以帮助你解决当今化学、材料工业中的一系列重要问题。支持Windows98、NT、Unix以及Linux等多种操作平台的Materials Studio使化学及材料科学的研究者们能更方便的建立三维分子模型，深入的分析有机、无机晶体、无定形材料以及聚合物。
任何一个研究者，无论他是否是计算机方面的专家，都能充分享用该软件所使用的高新技术，它所生成的高质量的图片能使你的讲演和报告更引人入胜。同时它还能处理各种不同来源的图形、文本以及数据表格。
多种先进算法的综合运用使Material Studio成为一个强有力的模拟工具。无论是性质预测、聚合物建模还是X射线衍射模拟，我们都可以通过一些简单易学的操作来得到切实可靠的数据。灵活方便的Client-Server结构还是的计算机可以在网络中任何一台装有NT、Linux或Unix操作系统的计算机上进行，从而最大限度的运用了网络资源。
ACCELRYS的软件使任何的研究者都能达到和世界一流工业研究部门相一致的材料模拟的能力。模拟的内容囊括了催化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性等材料科学研究领域的主要课题。
Materials-Studio 问答全集: http://www.douban.com/group/topic/2600247/?from=mb-23195761
模块简介：
Materials Studio采用了大家非常熟悉的Microsoft标准用户界面，允许用户通过各种控制面板直接对计算参数和计算结果进行设置和分析。目前，Materials Studio软件包括如下功能模块：
Materials Visualizer:
提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模型所需要的所有工具，可以操作、观察及分析结构模型，处理图表、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具以及支持Materials Studio的其他产品。是Materials Studio产品系列的核心模块。
Discover:
Materials Studio的分子力学计算引擎。使用多种分子力学和动力学方法，以仔细推导力场作为基础，可准确地计算出最低能量构型、分子体系的结构和动力学轨迹等。
COMPASS:
支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力场。是第一个由凝聚态性质以及孤立分子的各种从头算和经验数据等参数化并经验证的从头算力场。可以在很大的温度、压力范围内精确地预测孤立体系或凝聚态体系中各种分子的结构、构象、振动以及热物理性质。
Amorphous Cell:
允许对复杂的无定型系统建立有代表性的模型，并对主要性质进行预测。通过观察系统结构和性质之间的关系，可以对分子的一些重要性质有更深入的了解，从而设计出更好的新化合物和新配方。可以研究的性质有：内聚能密度（CED）、状态方程行为、链堆砌以及局部链运动等。
Reflex:
模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。可以帮助确定晶体的结构，解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。模拟的图谱可以直接与实验数据比较，并能根据结构的改变进行即时的更新。包括粉末衍射指标化及结构精修等工具。
Reflex Plus:
是对Reflex的完善和补充，在Reflex标准功能基础上加入了已被广泛验证的PowderSolve技术。Reflex Plus提供了一套可以从高质量的粉末衍射数据确定晶体结构的完整工具。
Equilibria:
可计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的相图，溶解度作为温度、压力和浓度的函数也可同时得到，还可计算单组分体系的virial系数。适用领域包括石油及天然气加工过程（如凝析气在高压下的性质）、石油炼制（重烃相在高压下的性质）、气体处理、聚烯烃反应器（产物控制）、橡胶（作为温度和浓度的函数的不同溶剂的溶解度）。
DMol3:
独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，是唯一的可以模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、分子反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热、混合热等性质。
CASTEP:
先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种材料，可研究：晶体材料的性质（半导 体、陶瓷、金属、分子筛等）、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度）、晶体的光学性质、点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩展 缺陷（晶粒间界、位错）、体系的三维电荷密度及波函数等。
Materials Studio软件比Cerius2具有以下优点：
1、Materials Studio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台。
2、Materials Studio软件采用灵活的Client-Server结构。其核心模块Visualizer运行于客户端PC，支持的操作系统包括Windows 98、2000、NT；计算模块（如Discover，
3、Amorphous，Equilibria，DMol3，CASTEP等）运行于服务器端，支持的系统包括Windows 2000、NT、SGIIRIX以及Red Hat Linux。
投入成本低，易于推广。浮动许可（Floating License）机制允许用户将计算作业提交到网络上的任何一台服务器上，并将结果返回到客户端进行分析，从而最大限度地利用了网络资源，减少了硬件投资。