Device Studio應(yīng)用實(shí)例之STEMS應(yīng)用實(shí)例

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應(yīng)用實(shí)例之STEMS應(yīng)用實(shí)例上半部分的內(nèi)容，本期將介紹Device Studio應(yīng)用實(shí)例之STEMS應(yīng)用實(shí)例下半部分的內(nèi)容。

8.6. STEMS 實(shí)例

STEMS （Simulation Tools for the Evolution of Micro-Strucure）是一款基于相場(chǎng)或晶體相場(chǎng)理論方法 （Phase-Field /Phase-Field-Crystal Methods）的材料微觀組織結(jié)構(gòu)演化模擬軟件。其中相場(chǎng)方法部分適用于研究多種合金凝固過(guò)程 中的組織結(jié)構(gòu)演化過(guò)程，如支晶生長(zhǎng)，共晶生長(zhǎng)等現(xiàn)象。晶體相場(chǎng)部分用于研究晚期凝固過(guò)程中和凝固壓力相關(guān)的納米尺度機(jī)制，可以彌補(bǔ)相場(chǎng)方法在描述凝固缺陷方面的不足。

相場(chǎng)或晶體相場(chǎng)方法具有堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。相場(chǎng)方法通過(guò)求解一組描述凝固過(guò)程中固液界面移動(dòng)過(guò)程的經(jīng)典偏微分方程來(lái)研究材料在凝固過(guò)程中的微觀組織結(jié)構(gòu)演化。晶體相場(chǎng)方法通過(guò)求解基于變分方法和原子密度泛函的偏微分方程組來(lái)研究、模擬、理解和預(yù)測(cè)凝固過(guò)程中在納米尺度發(fā)生的材料微組織演化。

STEMS 基于最新的相場(chǎng)和晶體相場(chǎng)方法，由領(lǐng)域內(nèi)的世界著名科學(xué)家團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜開(kāi)發(fā)，是目前唯一結(jié)合了相場(chǎng)和晶體相場(chǎng)方法，能夠研究凝固過(guò)程中的晶體生長(zhǎng)和缺陷生成機(jī)制等重要問(wèn)題的模擬軟件。相場(chǎng)部分使用新的巨勢(shì)多相場(chǎng)模型，便于耦合多種合金的熱力學(xué)自由能數(shù)據(jù)，可以研究快速凝固過(guò)程。

STEMS 可模擬的過(guò)程如下：凝固過(guò)程中的枝晶生長(zhǎng)現(xiàn)象、共晶生長(zhǎng)現(xiàn)象、定向凝固、快速凝固、凝固缺陷、凝固壓力。

STEMS軟件官網(wǎng)：詳見(jiàn) http://hzwtech.com/software-prosubsub/44.html

8.6.1. STEMS計(jì)算流程

STEMS在Device Studio中的計(jì)算流程如圖8.6-1所示。

圖8.6-1： STEMS計(jì)算流程

8.6.2. STEMS創(chuàng)建項(xiàng)目

雙擊Device Studio圖標(biāo)快捷方式，登錄并啟動(dòng)Device Studio，在創(chuàng)建或打開(kāi)項(xiàng)目界面中（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），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 STEMS，或采用軟件默認(rèn)項(xiàng)目名。

8.6.3. STEMS導(dǎo)入文件

在Device Studio的圖形界面點(diǎn)擊 File → Import → Import Local，則彈出導(dǎo)入STEMS文件的界面如圖8.6-2所示，根據(jù)界面提示找到 PF-PFC.hzw 文件的位置，選中 PF-PFC.hzw 文件，點(diǎn)擊 打開(kāi)按鈕則導(dǎo)入 PF-PFC.hzw 文件后的Device Studio界面如圖8.6-3所示。在Device Studio中導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的其他方法這里不做詳細(xì)說(shuō)明，用戶可參照 導(dǎo)入結(jié)構(gòu) 節(jié)內(nèi)容。

圖8.6-2： STEMS導(dǎo)入文件的界面

圖8.6-3： 導(dǎo)入 PF-PFC.hzw 文件后的Device Studio界面

8.6.4. PFC計(jì)算輸入文件的生成

在如圖8.6-3所示界面中選中 Simulator → STEMS → PFC， 彈出PFC參數(shù)設(shè)置界面如圖8.6-4（a）所示，用戶可根據(jù)計(jì)算需要分別選中界面中的 Init 、 Func、Run 分別設(shè)置參數(shù)如圖8.6-4（a）、8.6-4（b）和8.6-4（c）所示， 之后點(diǎn)擊界面中的 Generate files 即可生成PFC計(jì)算輸入文件 Init.param、Func.param 和 Run.Param，生成PFC計(jì)算輸入文件后 的Device Studio圖形界面如圖8.6-5所示。

圖8.6-4（a）： Init參數(shù)設(shè)置界面

圖8.6-4（b）： Func參數(shù)設(shè)置界面

圖8.6-4（c）： Run參數(shù)設(shè)置界面

圖8.6-5： 生成PFC計(jì)算輸入文件后的Device Studio界面

8.6.5. PFC計(jì)算

在做PFC計(jì)算之前，需連接裝有STEMS的服務(wù)器，具體連接過(guò)程這里不做詳細(xì)說(shuō)明，用戶可參考 Nanodcal連接服務(wù)器 節(jié)內(nèi)容。連接好裝有STEMS的服務(wù)器，在做PFC計(jì)算之前，用戶可根據(jù)需要打開(kāi)輸入文件并查看文件中的參數(shù)設(shè)置是否合理，若不合理，則可選 擇直接在文件中進(jìn)行編輯或重新生成，最后再進(jìn)行PFC計(jì)算。如打開(kāi) Init.param 文件，在圖8.6-5所示的界面中， 選中 Init.param → 右擊 → Open with 即可查看到 Init.param 文件如下所示。對(duì)于其他輸入文件， 用戶可根據(jù)需要選擇是否打開(kāi)查看，這里不做詳細(xì)說(shuō)明。

備注

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，用戶可通過(guò) STEMS 使用教程 了解各參數(shù)的詳細(xì)意義，從而根據(jù)計(jì)算需要合理設(shè)置參數(shù)。若想詳細(xì)了解 STEMS ，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)紫色或藍(lán)色字體軟件名稱，或發(fā)送郵件到郵箱 support@hzwtech.com 咨詢。

在如圖8.6-5所示的界面的Project Explorer區(qū)域中，選中 Run.param → 右擊 → Run，彈出Run界面如 圖8.6-6所示，根據(jù)計(jì)算需要設(shè)置參數(shù)后點(diǎn)擊 Save 按鈕保存相應(yīng)的腳本，之后點(diǎn)擊如圖8.6-6所示界面中 的 Run 按鈕則可做STEMS的PFC計(jì)算。用戶可在Job Manager區(qū)域中觀察PFC計(jì)算狀態(tài)，當(dāng)PFC計(jì)算任務(wù)處于排隊(duì)中、 計(jì)算中和計(jì)算完成時(shí)，Status 分別為Queued、Running、Finished；在計(jì)算過(guò)程中，點(diǎn)擊 刷新 按鈕（即 refresh 按鈕），通過(guò) Commit Status 、Status 可查看到PFC計(jì)算的計(jì)算進(jìn)度和計(jì)算狀態(tài)；計(jì)算完成后Device Studio的Job Manager區(qū)域如圖8.6-7所示，點(diǎn)擊 Action 下的 下載 按鈕彈出下載PFC計(jì)算結(jié)果界面如圖8.6-8所示，在該界面找到PFC計(jì)算的結(jié)果文件（ PFC計(jì)算結(jié)果文件即后綴名為 .dat 的文件，如 d_mpi.0.dat ），點(diǎn)擊 Download則可下載，下載后可在軟件的Project Explorer區(qū)域查看到該結(jié)果文件。

圖8.6-6： STEMS的Run界面

圖8.6-7： PFC計(jì)算完成后的Device Studio的Job Manager區(qū)域

圖8.6-8： 下載PFC計(jì)算結(jié)果的界面

PFC計(jì)算結(jié)果下載完成后的Device Studio界面如圖8.6-9所示。

圖8.6-9： PFC計(jì)算結(jié)果下載完成后的Device Studio界面

8.6.6. PFC計(jì)算結(jié)果的可視化分析

在如圖8.6-9所示界面中的Project Explorer區(qū)域內(nèi)，選中任意一個(gè)PFC計(jì)算的結(jié)果文件，如 d_mpi.0.dat → 右擊 → Open Containing Folder 則找到PFC計(jì)算結(jié)果文件在本地電腦中的存儲(chǔ)位置如圖8.6-10所示。在如圖8.6-9所示的Device Studio圖形界面中，點(diǎn)擊View → generate GIF，彈出generategif界面如圖8.6-11所示，在該界面中點(diǎn)擊 File → import，彈出導(dǎo)入PFC計(jì)算結(jié)果文件的界面，按照提示將結(jié)果文件導(dǎo)入后，在generategif界面中點(diǎn)擊 File→ export，彈出將PFC計(jì)算結(jié)果的可視化分析結(jié)果導(dǎo)出的界面，用戶可根據(jù)需要選擇導(dǎo)出的位置，并給可視化分析結(jié)果命名，或采用默認(rèn)命名，如命名為 PFC.gif ，PFC計(jì)算結(jié)果的可視化分析（即 PFC.gif 文件）如圖8.6-12所示。

圖8.6-10： PFC計(jì)算結(jié)果文件在本地電腦中的存儲(chǔ)位置

圖8.6-11： generategif界面

圖8.6-12： PFC計(jì)算結(jié)果的可視化分析（即 PFC.gif 文件）