Device Studio（簡稱：DS）作為鴻之微的材料設計與仿真軟件，能夠進行電子器件的結構搭建與仿真；能夠進行晶體結構和納米器件的建模；能夠生成科研計算軟件 Nanodcal、Nanoskim、MOMAP、RESCU、DS-PAW、BDF、STEMS、TOPS、PODS、VASP、LAMMPS、QUANTUM ESPRESSO、Gaussian的輸入文件并進行存儲和管理；可以根據用戶需求，將輸入文件傳遞給遠程或本地的計算機進行計算，并控制計算流程；可以將計算結果進行可視化顯示和分析。

本期將介紹Device Studio應用實例之TOPS應用實例上半部分的內容。

8.9.TOPS實例

Topological Polymeric Self-Consistent Field Theory是一款基于自洽平均場理論（Self-Consistent Field Theory）的嵌段共聚物自組裝相行為計算與模擬軟件，簡稱TOPS。嵌段共聚物作為一種特殊的高分子，因其獨特的分相機制，適宜的 分相尺度（10-100 nm）和在材料、半導體納米刻蝕領域內的潛在應用受到人們的廣泛關注和研究。但由于嵌段共聚物自組裝體系參數空 間巨大且形成的自由能曲面非常復雜，其熱力學平衡態結構的預測對于理論計算來說非常具有挑戰性。

復旦大學李衛華教授課題組結合其在嵌段共聚物自洽場計算領域內數十年的經驗開發了這款軟件TOPS，其具有以下功 能和特點：

精確計算幾乎任意拓撲結構體系中的目標相結構的自由能，實現穩定相結構的預測、構建相圖和分析機理。

適用于嵌段共聚物熔體體系、共混體系和溶液體系，為計算理論探討和實驗先行篩選出合適的參數空間。

擁有非常豐富的一元和二元結構庫。

結合自動優化周期及特殊初始化算法，兼備高效率和高精度。

結合快速傅里葉變換（FFT）和Anderson Mixing，進一步加速了收斂過程。

可快速創建分子模型，可視化其結構和計算結果。

支持Windows和Linux平臺，搭載鴻之微科技（上海）股份有限公司的Device Studio，可快速在本地和服務器遞交任務并進行計算。

對石油化工、塑料加工、特種塑料盒纖維生產都有潛在的應用。

TOPS具有以下應用：

構建相圖：TOPS可以計算給定參數下備選結構的自由能，然后通過自由能的比較構建熱力學平衡態結構的相圖。

分析自由能數據：TOPS計算可以得到所有備選結構的自由能、界面能和熵。通過這些數據可以分析結構的穩定性幾相關機制。

分析嵌段在結構中的分布：TOPS計算可以獲得每個嵌段的密度分布，從而可以進一步探討嵌段共聚物的自組裝機理。

TOPS采用隨機初始化，可以進行嵌段共聚物自組裝形成新結構的探索，為實驗制備新的有序結構提供指導。

以AB兩嵌段共聚物計算BCC結構為例來詳細描述TOPS在Device Studio中的應用。

8.9.1.TOPS計算流程

TOPS在Device Studio中的計算流程如圖8.9-1所示。

圖8.9-1: TOPS計算流程

8.9.2.TOPS創建項目

雙擊Device Studio圖標快捷方式，登錄并啟動Device Studio，在創建或打開項目界面中(圖5.1-1: 啟動軟件后選擇創建或打開項目的圖形界面)，根據界面提示選擇創建一個新的項目（Create a new Project）或打開一個已經存在的項目（Open an existing Project）的按鈕，選中之后點擊界面中的OK按鈕即可。若選擇創建一個新的項目，用戶可根據需要給該項目命名，如本項目命名為TOPS，或采用軟件默認項目名。

8.9.3.TOPS建模（分子結構）

以構建AB兩嵌段共聚物為例，在Device Studio的圖形界面中，選中Simulator→TOPS→TOPS，彈出TOPS界面如圖8.9-2所示。

圖8.9-2: TOPS界面

在8.9-2所示界面中，設置參數如圖8.9-3中紅色框選部分所示，點擊Preview則可預覽搭建好的AB兩嵌段共聚物分子結構。

圖8.9-3: TOPS構建AB兩嵌段共聚物界面

編輯：黃飛