Device Studio（簡稱：DS）作為鴻之微的材料設(shè)計與仿真軟件，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)程或本地的計算機(jī)進(jìn)行計算，并控制計算流程；可以將計算結(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）是一款基于相場或晶體相場理論方法 （Phase-Field /Phase-Field-Crystal Methods）的材料微觀組織結(jié)構(gòu)演化模擬軟件。其中相場方法部分適用于研究多種合金凝固過程 中的組織結(jié)構(gòu)演化過程，如支晶生長，共晶生長等現(xiàn)象。晶體相場部分用于研究晚期凝固過程中和凝固壓力相關(guān)的納米尺度機(jī)制，可以彌補(bǔ)相場方法在描述凝固缺陷方面的不足。

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

STEMS 基于最新的相場和晶體相場方法，由領(lǐng)域內(nèi)的世界著名科學(xué)家團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜開發(fā)，是目前唯一結(jié)合了相場和晶體相場方法，能夠研究凝固過程中的晶體生長和缺陷生成機(jī)制等重要問題的模擬軟件。相場部分使用新的巨勢多相場模型，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程。

STEMS 可模擬的過程如下：凝固過程中的枝晶生長現(xiàn)象、共晶生長現(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 http://hzwtech.com/software-prosubsub/44.html

8.6.1. STEMS計算流程

STEMS在Device Studio中的計算流程如圖8.6-1所示。

圖8.6-1： STEMS計算流程

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Device Studio，在創(chuàng)建或打開項(xiàng)目界面中（圖5.1-1： 啟動軟件后選擇創(chuàng)建或打開項(xiàng)目的圖形界面），根據(jù)界面提示選擇創(chuàng)建一個新的項(xiàng)目（ Create a new Project ）或打開一個已經(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計算輸入文件 Init.param、Func.param 和 Run.Param，生成PFC計算輸入文件后 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計算輸入文件后的Device Studio界面

8.6.5. PFC計算

在做PFC計算之前，需連接裝有STEMS的服務(wù)器，具體連接過程這里不做詳細(xì)說明，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計算之前，用戶可根據(jù)需要打開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計算。如打開 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。對于其他輸入文件， 用戶可根據(jù)需要選擇是否打開查看，這里不做詳細(xì)說明。

備注

在實(shí)際計算過程中，用戶可通過 STEMS 使用教程 了解各參數(shù)的詳細(xì)意義，從而根據(jù)計算需要合理設(shè)置參數(shù)。若想詳細(xì)了解 STEMS ，點(diǎn)擊對應(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計算。用戶可在Job Manager區(qū)域中觀察PFC計算狀態(tài)，當(dāng)PFC計算任務(wù)處于排隊(duì)中、 計算中和計算完成時，Status 分別為Queued、Running、Finished；在計算過程中，點(diǎn)擊 刷新 按鈕（即 refresh 按鈕），通過 Commit Status 、Status 可查看到PFC計算的計算進(jìn)度和計算狀態(tài)；計算完成后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計算結(jié)果界面如圖8.6-8所示，在該界面找到PFC計算的結(jié)果文件（ PFC計算結(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計算完成后的Device Studio的Job Manager區(qū)域

圖8.6-8： 下載PFC計算結(jié)果的界面

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

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

8.6.6. PFC計算結(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PFC計算的結(jié)果文件，如 d_mpi.0.dat → 右擊 → Open Containing Folder 則找到PFC計算結(jié)果文件在本地電腦中的存儲位置如圖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計算結(jié)果文件在本地電腦中的存儲位置

圖8.6-11： generategif界面

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