Synopsys QuantumATK 原子級材料模擬工程

QuantumATK 是一款由全球領先的原子尺度建模專家所開發與支持的完全集成軟體套件，整合了多種模擬引擎與自動化工作流。它賦予跨產業企業與學術研究機構在不構建實體原型的情況下，高效探索數百萬種材料組合、計算豐富材料性質，並理解微觀機制的核心能力。QuantumATK 在降低開發成本與消除實驗失敗風險的同時，協助研發團隊以數位模擬加速次世代產品上市。

QuantumATK 的核心優勢

1. 加速技術創新： 透過大規模平行運算進行電腦篩選（Computational Screening），高效過濾數百萬種候選材料，大幅縮短產品上市時間。

2. 降低研發成本： 運用高精度的預測性模擬，在實體合成與製程開案前發現問題，消除高昂的原型試錯與失敗成本。

3. 引導定向優化： 揭示物理實驗無法直觀揭示的原子級物理機制與界面效應，提供視覺化數據引導精準的材料改良。

QuantumATK 的關鍵特性

• 多引擎統一整合平台： 在單一環境中無縫整合了多元模擬引擎，包含密度泛函理論（DFT，支援 LCAO 與平面波基底）、半經驗緊束縛法（Semi-empirical / Tight-Binding）、古典力場（Force Field），以及兼具 DFT 精度與分子動力學速度的機器學習位能（Machine-Learned Potentials）。 

• 大規模平行模擬能力： 針對現代高性能計算環境（HPC）進行極致優化。結合 MPI 與執行緒（Threading）技術，支持數千個 CPU 與 GPU 核心並行運算，可輕鬆處理含有數千個原子的超大型複雜體系。 

• 優異的 NanoLab GUI 與工作流體驗： 配備直觀強大的 NanoLab 圖形介面，從結構建模（如分子、晶體、界面、多層異質結構）、設置計算、任務提交、到結果分析與高畫質圖片導出，皆可在點擊間完成。內建 Python 腳本擴充組件，支援專家進行高度客製化的自動化分析。 

• 先進的傳輸模型（NEGF）： 內建領先業界的非平衡態格林函數（NEGF）技術，能精準模擬開放邊界（源極/汲極）與偏壓狀態下，二維材料、奈米線元件或異質接面的電子與熱能輸運特性。 

• 多尺度與多物理特性 bridge 橋接： 能精準計算電子結構、機械應力、熱導率、光學響應、磁學與自旋電子學特性、電子-聲子耦合、電阻率及壓電效應，並與巨觀求解器完美串接。

QuantumATK 的應用場景

• 電池材料模擬 (Battery Material Simulation)： 設計與篩選創新的電極、電解質及界面材料，以研發更安全、能量密度更高、充電速度更快的新世代電池。

• 高分子聚合物設計與模擬 (Polymer Design & Simulation)： 精準預測並優化聚合物的機械、熱學與光學特性，以達到特定的目標效能。

• 觸媒催化劑開發 (Catalyst Development)： 識別並優化催化劑材料，以提升化學反應中的催化效率與選擇性。

• 陶瓷與合金工程 (Ceramics & Alloy Engineering)： 模擬金屬、陶瓷和玻璃材料的結構、熱學與機械性質。

• 太陽能與能源材料 (Solar & Energy Materials)： 篩選光電（PV）材料並優化其能帶結構（Band Structures），以提升能源轉換效率。

高分子 - 無機材料介面

 

沉積模擬過程中不同時間點的原子結構

SiH4的吸附和解離過程