动力学模拟是一种重要的原子级模拟方法，通过求解原子运动的经典力学牛顿方程对相空间进行采样，不仅可以研究体系在相空间的演化过程，还可以通过产生的系列结构（系综）通过统计方法得到体系在非零温度下的各种性质。 动力学过程中的原子间相互作用力则可以通过多种方法求得，可以是密度泛函理论，也可以是经验力场。

有关QuantumATK中的动力学方法的更多介绍参见：

• QuantumATK：更强大、更灵活的材料动力学模拟

QuantumATK让分子动力学（MD）模拟变得非常简单：只需在配置中添加所需的计算器和分子动力学流程模块就可以开始模拟。不过，关于哪些参数和设置最适合不同类型的模拟，有一些指导原则。本教程提供 QuantumATK 中 MD 功能的基本概述，并逐步解释如何正确设置模拟以获得所需结果。

MD 模拟是一种在预定义条件下模拟原子和分子运动的技术，如温度、压力、应力、外力等。因此，MD 模拟可用于研究纳米级的动力学过程，并计算广泛的性质，例如相图、扩散系数、各种响应函数，还包括多种静态量，如径向分布函数、配位数、弹性模量等。

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无定形（非晶）固体（即没有任何周期性原子或分子排列顺序的结构，例如玻璃或聚合物），可以在各种材料中找到，它们的机械和电子性能通常与各自的晶体有很大不同，因此在广泛的技术中变得越来越重要。例如，非晶态二氧化硅的热膨胀系数大约比石英晶体的相应值低一个数量级。然而，与晶体结构比较容易定义相比，很难描述给定材料的非晶态结构。本教程提供了一些关于在QuantumATK中使用分子动力学（MD）模拟以不同精度生成非晶态结构的指南。

获得给定材料的非晶结构并不简单。与相应的晶体结构相比，没有独特的单胞或超单胞表示，因为结构本身具有很大程度的随机性。本教程以非晶二氧化硅为例介绍：

• 如何基于DFT或经典力场方法生成非晶态结构，作为进一步模拟的代表性结构和输入配置；
• 如何使用经典力场MD模拟来获得非晶材料的第一个起始结构，当重点放在电子特性上时，可以在第二步中使用半经验或DFT分子动力学对其进行细化；
• 模拟非晶二氧化硅，通常被称为熔融石英或熔融石英，它是应用最广泛的非晶材料之一，例如在传统或专用玻璃以及半导体行业中。
• 如何在晶体和非晶区域之间创建界面结构。

教程链接：

• 生成非晶态结构（英文教程）

新的 QuantumATK ForceField 软件包提供了大量预定义的经典力场，涵盖了广泛的元素和体系。但是，如果您对某个特定的力场感兴趣，而该力场还不是该预定义集的一部分，那么您可以轻松添加这些参数并创建自己的力场，只要支持底层的力场函数形式支持即可。还可以修改现有力场的单个参数，以便将力场调整到适合特殊。此外，你可以将不同的力场结合，以涵盖更广泛的元素。本教程简要概述了 QuantumATK ForceField 的这一功能。

• 添加、组合和修改经验力场（英文）

近年来，机器学习的原子间势（MLIP）已经变得很流行，因为它们可以提供 MD 模拟、几何优化和单点计算所需的能量、力和应力的从头计算精度。矩张量势（MTP）是一类 MLIP，在给定精度下具有较高的性能。

MTP 可以通过将线性回归模型拟合到参考数据集来训练。参考数据集上的 MTP 训练可以通过两种方式进行：批量学习和主动学习。在批量学习中，MTP 在预先计算的参考数据集上进行训练。在主动学习中，通过主动向初始参考数据集添加缺失的配置，可以动态地对其进行改进。首先根据初始参考数据训练初步 MTP，然后使用该 MTP 力场开始 MD 模拟。当 MD 中遇到与初始参考几何体非常不同的几何结构时，将其添加到参考数据集中。

本教程以 HfO2 为例，介绍如何生成 MTP，该 MTP 可以使用 NanoLab GUI 预测晶体和非晶结构。

教程链接：

• 利用主动学习生成 HfO2 的机器学习 MTP 势（英文）
• 了解更多MTP力场方法信息：链接。

气相沉积是一种广泛用于在衬底材料上制备由晶体或非晶固体组成的薄膜的技术。对这些过程的模拟有助于理解潜在的微观机制，以及压力、温度等过程参数对产生的原子结构和动力学的影响。

本教程介绍如何模拟碳化硅（SiC）在晶体SiC衬底上的生长，类似于参考文献中的研究。教程中使用的经验力场比从头算方法（如DFT）更大的系统和时间尺度。本教程中显示的模拟主要属于物理气相沉积（PVD）类别。然而，化学气相沉积（CVD）过程在原则上也可以进行模拟，前提是需要使用合适的力场来描述化学反应，或者有足够的计算资源来使用从头算方法。

教程

• 气相沉积模拟薄膜生长（英文）

本教程介绍如何使用QuantumATK工作流，以模拟使用硅烷沉积硅所涉及的反应机制。我们将使用平面波DFT进行表面科学风格的slab计算，以研究硅烷的吸附和解离以及H2从表面的形成和解吸。

教程链接：

• 用硅烷模拟硅沉积（英文）

石墨烯片的性能可以通过故意在材料中引入缺陷来调节。用高能离子轰击石墨烯片是一种有希望以可控方式获得缺陷的方法。分子动力学模拟可用于阐明此类过程中涉及的机制，并提高我们对外部参数（如入射离子的动能）如何影响缺陷形成的理解。在本教程中，您将模拟石墨烯的离子轰击：

• 学习使用 QuantumATK 设置计算所需的基本步骤；
• 了解如何手动修改 QuantumATK 生成的 Python 脚本；
• 使用QuantumATK运行计算。

教程链接：

• 石墨烯片上离子轰击的模拟（英文）

在本教程中，您将学习如何使用 QuantumATK 研究硅在单轴和双轴应力下的电子特性。特别是，您将学习如何使用几何优化（优化几何）的目标应力选项将特定应力应用于晶体。然后你将计算和分析应变系统中的电子能带结构和有效质量。本教程的一个重要方面是施加应力后晶体的对称性。您必须特别注意这一点，为此，您会发现Brillouin Zone Viewer插件非常有用。

教程链接:

• 硅中的单轴和双轴应力（英文）

本教程将展示如何设置、运行和分析使用多晶铜的微观蠕变实验的分子动力学（MD）模拟，即对外部施加的单轴应力的应变响应。您将了解多晶体生成器和局部结构分析工具，并将学习如何在恒定外部应力下运行高级MD模拟。

虽然基本上可以构建几纳米的真实晶粒尺寸，但此类模拟的计算成本相对较大，因为所需的系统尺寸很容易超过100万个原子。使用QuantumATK，这种计算当然是可能的。

教程链接：

• 多晶铜蠕变实验模拟（英文）

碳纳米管以其优异的机械性能而闻名，高于其他已知材料。对于无缺陷的碳纳米管，理论杨氏模量的计算相当简单，但当存在缺陷时，情况并非如此。在这种情况下，分子动力学（MD）是计算力学性能的合适工具。

在本教程中，您将构建具有Stone-Wales缺陷的碳纳米管（CNT），并使用ATK ForceField引擎计算杨氏模量。

教程链接：

• 含缺陷碳纳米管的杨氏模量（英文）

现代电子设备的不断缩小意味着纳米设备的复杂性日益增加。当器件由多种材料构成时，导热系数很难预测。更常见的情况是，设备工程师希望通过在不同材料之间构建界面来最大化或最小化热导率。

在本教程中，您将学习如何使用具有经典势的分子动力学来模拟通过界面的热流，并计算界面热阻。

• 界面热导（英文）

本教程介绍如何使用分子动力学（MD）模拟计算液态金属中的原子扩散系数。一般来说，准确测量液体中的扩散系数是一项具有挑战性的任务。本教程将演示QuantumATK工具如何让您在计算机上以直接的方式高效地研究这一基本现象。

• 分子动力学模拟中的液体扩散（英文）

Metadynamics是基于分子动力学的一种很有用的模拟方法，可以研究多维自由能表面（FESs），通过基于体系微观坐标的多个综合变量（Collective Variables，CV）的函数重构体系的 FES。

在 Metadynamics 模拟过程中，会在模拟期间定期向体系中添加附加的“歧视”势能（bias potential）。这可以使体系能够克服很高势垒，逃离较深的自由能极小值，从而有效地探索整个自由能表面。在材料科学领域，该方法已用于研究晶体多态性、固液界面以及固体和表面的化学反应。本教程将应用这种方法研究 Cu(111) 表面上 Cu 空位的扩散。

QuantumATK 通过 PLUMED 插件实现 Metadynamics。在本教程中，我们先简要地介绍该方法，然后演示如何为 Cu(111) 上的空位扩散设置 Metadynamics 脚本，以及如何分析生成的自由能表面。

• 使用Metadynamics动力学方法研究 Cu(111) 中 Cu 空位的扩散（PLUMED）
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在本教程中，您将以液态甲醇为例学习如何采用分子动力学（MD）模拟计算不同液体的粘度。理解粘度对许多工业化学过程的设计至关重要，因为粘度描述了液体的流动。本教程演示了您将如何利用 QuantumATK 工具模拟简单液体的粘性。该方法也可以应用于许多更为复杂和混合的液体。

为了模拟液体甲醇的行为，我们采用经典的分子动力学生成分子的运动轨迹。这些轨迹提供了统计计算液体综合性能所需的必要信息。本教程还演示了如何设置和使用为这类分子问题创建的特定键合力场。

教程链接：

• 用分子动力学方法模拟液体的粘度
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