ABINIT的主程序使用贗勢和平面波，用密度泛函理論計(jì)算總能量，電荷密度，分子和周期性固體的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)行幾何優(yōu)化和分子動力學(xué)模擬，用TDDFT（對分子）或GW近似（多體微擾理論）計(jì)算激發(fā)態(tài)。此外還提供了大量的工具程序。程序的基組庫包括了元素周期表1-109號所有元素。ABINIT適于固體物理，材料科學(xué)，化學(xué)和材料工程的研究，包括固體，分子，材料的表面，以及界面，如導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體和金屬。

1 材料設(shè)計(jì)軟件包的整體功能描述
材料科學(xué)是現(xiàn)代科技發(fā)展的支柱之一，隨著高科技的發(fā)展，對材料性能的要求也越來越高。傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)常常是通過‘炒菜’方法，建立在大量反復(fù)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上。這種方法由于缺少必要的理論指導(dǎo)，不可避免地具有一定的盲目性，從而造成人力物力的巨大浪費(fèi)，且材料設(shè)計(jì)的周期很長。即使用炒菜方法獲得了一些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，往往也是知其然，而不知其所以然。不能滿足快速發(fā)展的高科技對新材料的需求。材料科學(xué)家們希望借助于計(jì)算機(jī)，獲取材料性能方面的信息，預(yù)測材料的性能，從而指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)，這也是材料設(shè)計(jì)工作發(fā)展的必然方向。
本課題所建立的軟件平臺包括三個(gè)部分：第一原理平面波贗勢總能計(jì)算軟件包ABINIT；基于第一原理計(jì)算的材料設(shè)計(jì)輔助軟件；以及平臺界面。下面對這三部分的功能簡單說明。

1.1 第一原理平面波贗勢總能計(jì)算軟件包ABINIT
第一原理計(jì)算輔助材料設(shè)計(jì)是目前國際上的研究熱點(diǎn)之一。一方面，第一原理方法可以精確地計(jì)算出材料中與宏觀性能密切相關(guān)的量，如彈性模量，缺陷形成能等，通過這些物理量的計(jì)算，間接預(yù)測材料的力學(xué)性能；另一方面，第一原理計(jì)算可以為更高層次的材料模擬如有限元方法，Kinetic Monte Carlo方法等提供基本參數(shù)，從而直接得到可與實(shí)驗(yàn)比較的結(jié)果。更為重要的是，第一原理方法不需要任何經(jīng)驗(yàn)或擬合的參數(shù)，是一種真正意義上的預(yù)測。
第一原理方法是在用戶給定體系的幾何結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分后，對體系做一些適當(dāng)?shù)暮喕疲ㄈ鏐onopenheimer絕熱近似、局域密度近似、平面波近似等），自洽求解體系的Schrodinger方程，得到其電子分布密度，并給出系統(tǒng)能量等與電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的物理量。
該軟件包（包括源程序和可執(zhí)行程序）在深騰6800上的安裝路徑為/home4/ qmhu/ abinit。程序的編譯過程及使用指南，請見軟件包內(nèi)的說明（/home4/ qmhu/ abinit/Info/）。

1.2 材料設(shè)計(jì)附件
第一原理計(jì)算涉及到固體物理，量子力學(xué)等復(fù)雜艱深的物理理論，軟件編寫者大多為物理等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家，這使得現(xiàn)有第一原理軟件包一般注重在物理，化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)中的應(yīng)用，給出的是一些基本的物理結(jié)果如系統(tǒng)總能，電荷分布，原子力等等。從這些基本物理量很難聯(lián)系材料的宏觀性能特別是力學(xué)性能。為了讓第一原理計(jì)算能更有效地為實(shí)際材料設(shè)計(jì)服務(wù)，根據(jù)我們長期材料計(jì)算設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，自行編程并收集整理了一些材料設(shè)計(jì)輔助軟件，這些軟件能以第一原理方法的計(jì)算結(jié)果為輸入，得到與材料宏觀性能密切相關(guān)的量。
各材料設(shè)計(jì)附件的功能如下：
1.2.1 PDConcen
PDConcen利用第一原理計(jì)算得到的“粗”點(diǎn)缺陷，自洽計(jì)算在不同的化學(xué)計(jì)量比或溫度下金屬間化合物中的點(diǎn)缺陷濃度；根據(jù)點(diǎn)缺陷濃度計(jì)算化合物的長程序參數(shù)；由長程序參數(shù)隨溫度的變化確定化合物的有序無序相變溫度。
該程序（包括源程序和可執(zhí)行程序）在深騰6800上的安裝路徑為/home4 /qmhu/accessory/pdconcen。
1.2.2 ANN
ANN可以用來尋找復(fù)雜數(shù)據(jù)間的關(guān)系，并利用這些關(guān)系進(jìn)行預(yù)測與優(yōu)化。
該軟件源程序在深騰6800上的保存路徑為/home4/qmhu/accessory/ann。因需針對6800進(jìn)行優(yōu)化，目前尚未編譯安裝。
1.2.3 ISOTROPY
ISOTROPY是美國Birgham Young大學(xué)Stokes 和 Hatch所編寫的利用群論方法分析晶體中的固態(tài)相變的軟件。該程序共包括8個(gè)功能模塊，其中ISOTROPY為主模塊，提供詳細(xì)的群論知識；ISODISPLACE確定與空間群不可約表征相關(guān)的晶體結(jié)構(gòu)的位移型畸變；FINDSYM根據(jù)晶胞中的原子位置確定晶體的空間群對稱性；COPL根據(jù)母相和子相的空間群對稱性，確定完整的相變序參量列表；INVARIANTS產(chǎn)生序參量各組分的不變多相式；SMODES尋找晶體中將動態(tài)矩陣（最小）塊對角化的位移模式；RELATION確定兩個(gè)晶體是否具有群－子群關(guān)系；FROZSL用凍聲子法計(jì)算聲子頻率與位移模式；COMSUBS尋找重構(gòu)相變中兩個(gè)結(jié)構(gòu)的共有子群。
該程序在深騰6800上的安裝路徑為/home4/qmhu/accessory/isobyu。作者不提供該軟件的源程序。使用指南請見該目錄下的isoman.pdf。
1.2.4 PHON
PHON是Alfe開發(fā)的一個(gè)計(jì)算聲子譜及熱力學(xué)的程序。它以用戶所給出的晶體結(jié)構(gòu)模型為輸入，產(chǎn)生用第一原理計(jì)算該模型的晶格聲子行為所應(yīng)該施加的位移；通過分析這些位移所引起的作用在原子上的力(可以用第一原理計(jì)算得到)，該程序可以給出晶體的振動頻率，聲子譜等。更進(jìn)一步，它還可以計(jì)算出晶體的一些熱力學(xué)性能，如Helmholtz自由能，振動熵，比熱，及內(nèi)能等。
該程序在深騰上的安裝路徑為/home4/qmhu/accessory/phon。程序的編譯及使用指南，請參見該軟件內(nèi)的說明（manual.ps）。
1.2.5 ATAT
ATAT是Walle及其合作者開發(fā)的一個(gè)利用第一原理結(jié)合MonteCarlo模擬計(jì)算相圖及熱力學(xué)性能的軟件包。該軟件包首先采用團(tuán)簇展開(cluster expansion)，用第一原理方法計(jì)算一系列構(gòu)型的形成能，然后用這些能量作為Monte Carlo模擬的哈密頓量，計(jì)算材料的熱力學(xué)性能。
該程序在深騰上的安裝路徑為/home4/qmhu/accessory/atat。程序的編譯及使用指南，請參見該軟件包內(nèi)的詳細(xì)說明(/home4/qmhu/accessory/atat/doc)。

1.3 用戶界面
因?yàn)榈谝辉碛?jì)算涉及到固體物理，量子力學(xué)等復(fù)雜艱深的物理理論，使用時(shí)參數(shù)的輸入及結(jié)果處理往往要求用戶具有相當(dāng)豐富的背景知識，門檻很高，這也限制了材料設(shè)計(jì)者的使用。基于此，結(jié)合遠(yuǎn)程計(jì)算的要求，我們開發(fā)了一個(gè)用戶界面，并提供了豐富且簡單易用的在線幫助。利用該界面，可以通過網(wǎng)頁為超級機(jī)上的第一原理計(jì)算程序提供輸入并計(jì)算，觀察輸出結(jié)果，還可以提供適時(shí)方便的在線幫助。

2 內(nèi)核程序ABINIT與材料設(shè)計(jì)附件間的協(xié)作關(guān)系

2.1 ABINIT與PDConcen
PDConcen需要ABINIT提供的“粗”點(diǎn)缺陷形成能含缺陷化合物與不含缺陷化合物見的總能量差），及參考能量。

2.2 ABINIT與PHON
PHON根據(jù)晶體對稱性，為ABINIT力場計(jì)算確定進(jìn)行聲子譜計(jì)算所需的原子位移；ABINIT對PHON確定的一系列結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)計(jì)算，提供PHON聲子譜計(jì)算所需的力場。

2.3 ABINIT與ATAT
ATAT首先選取一種團(tuán)簇展開的形式，用ABINIT計(jì)算得到相應(yīng)構(gòu)型的總能量，ATAT根據(jù)這些總能量，進(jìn)行擬合，得到有效相互作用能，作為Kinetic Monte Carlo模擬，計(jì)算相圖及熱力學(xué)參數(shù)。

3 輸入輸出方式說明
我們?yōu)锳BINIT軟件編寫了用戶界面，用戶可以通過調(diào)用相關(guān)網(wǎng)頁，遠(yuǎn)程輸入計(jì)算參數(shù)，提交作業(yè)，并觀察輸出結(jié)果。
材料設(shè)計(jì)附件的輸入輸出尚未集成到該用戶界面中，采用命令行及文本方式輸入輸出。
各輸入輸出參數(shù)的含義，在相關(guān)軟件包中有詳細(xì)說明。

4 用戶指南及算例

用戶指南請參見各軟件包內(nèi)的詳細(xì)說明。
Abinit算例見/userdata3/qmhu/test/supercell。我們對含一個(gè)空位的Al超晶胞進(jìn)行了并行效率測試，使用的CPU數(shù)為1到16個(gè)。

ABINIT的主程序使用贗勢和平面波，用密度泛函理論計(jì)算總能量，電荷密度，分子和周期性固體的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)行幾何優(yōu)化和分子動力學(xué)模擬，用TDDFT（對分子）或GW近似（多體微擾理論）計(jì)算激發(fā)態(tài)。此外還提供了大量的工具程序。程序的基組庫包括了元素周期表1-109號所有元素。ABINIT適于固體物理，材料科學(xué)，化學(xué)和材料工程的研究，包括固體，分子，材料的表面，以及界面，如導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體和金屬。
可以計(jì)算很多物理屬性：
A. 計(jì)算倒格子中核與電子的總能量。
A.1. 計(jì)算使用平面波和贗勢。
A.2. 總能量的計(jì)算使用密度泛函理論（DFT）。可以使用大多數(shù)重要的局域密度近似 (LDA)，包括Perdew-Zunger近似。可以使用兩種不同的局域自旋密度(LSD)，包括Perdew Wang 92和M. Teter的LSD。還可以使用Perdew-Burke-Ernzerhof，revPBE，RPBE和HCTH等GGA (自旋極化和非極化)。
A.3. 自恰場計(jì)算生成DFT基態(tài)，以及相關(guān)的能量和密度。此后的非自恰計(jì)算可以對能帶結(jié)構(gòu)的大量k-點(diǎn)產(chǎn)生本征能量。態(tài)密度的計(jì)算即可以用四面體方法，也可以用模糊技術(shù)。
A.4. 程序可以使用多種不同的贗勢。對整個(gè)周期表適用的有兩種：Troullier-Martins型和Goedecker型（這種類型包括自旋-軌道耦合）。如果需要的話，有四個(gè)代碼可以產(chǎn)生新的贗勢。
A.5. 程序本身可以處理金屬和絕緣體系。
A.6. 晶胞可以是正交或者非正交。計(jì)算可以輸入任何對稱性及相應(yīng)的k-點(diǎn)集。
A.7. 電子體系可以用自旋極化和自旋非極化計(jì)算。一個(gè)特殊的選項(xiàng)可以有效地處理反鐵磁性。可以對總能量計(jì)算非共線的磁性（不能用于力，張量，相應(yīng)函數(shù)…）。可以禁止晶胞的總磁矩。
A.8. 總能量，力，張量和電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算可以考慮自旋-軌道耦合。
A.9. 能量可分解為不同的成分（局域勢，XC，Hartree…）。
A.10. 計(jì)算內(nèi)部電子本征值。
A.11. 230個(gè)空間群和1191個(gè)Shubnikov磁群的對稱性分析。
B. 計(jì)算總能量和本征能量
B.1. 用解析公式計(jì)算Hellman-Feynman力。
B.2. 計(jì)算應(yīng)力。
B.3. 極化的計(jì)算。
B.4. 響應(yīng)的計(jì)算。
B.5. 計(jì)算近似的和準(zhǔn)確的磁化系數(shù)矩陣和介電矩陣。
B.6. 解析計(jì)算電子本征能量的導(dǎo)數(shù)。
B.7. 計(jì)算光學(xué)傳導(dǎo)性。
B.8. Born有效電荷的能帶分解，以及局域化張量的計(jì)算。
C. 激發(fā)態(tài)
C.1. 用GW近似計(jì)算電離能和親和能。
C.2. 用TDDFT計(jì)算原子和分子的（單重、三重）激發(fā)態(tài)和振蕩強(qiáng)度。
D. 移動原子，改變晶胞參數(shù)
D.1. 用不同的方法尋找平衡構(gòu)型。可以同時(shí)優(yōu)化晶胞參數(shù)。優(yōu)化過程中如果需要的話，可以固定指定的晶胞參數(shù)，角度，或原子位置。
D.2. 有兩種算法進(jìn)行分子動力學(xué)計(jì)算。
D.3. 自動分析鍵長鍵角。原子坐標(biāo)的格式支持用可視化軟件XMOL顯示。
E. 分析和圖形工具
E.1. 后期處理程序cut3d用于分析密度和勢文件。它還可以改變文件格式，提取2D明面或者1D線。此外還可以分析波函文件。
E.2. 另一個(gè)后期處理程序aim，用于進(jìn)行Bader的“原子中的分子”（AIM）密度分析。
E.3. 對可視化程序產(chǎn)生格式化數(shù)據(jù)：鍵結(jié)構(gòu)（用XMGR顯示），不同參數(shù)的總能量（用XMGR顯示），電荷密度（3D輪廓線，先用cut3d，再用商業(yè)程序matlab；cut3d也可以產(chǎn)生2D密度圖）。
E.4. 后期處理程序band2eps自動畫出eps格式的聲子散射曲線。