Цели и возможности пакета
	Требования к компьютеру и програмному обеспечению

Цели и возможности пакета

Пакет компьютерных программ THEORSTM предназначен для теоретических предсказаний STM изображений малого и среднего размеров молекул (до нескольких сотен атомов) физически адсорбированных на поверхности проводящего вещества известной структуры.
В то время как различные физические механизмы могут быть ответственны за формирование STM изображений, например, металлических кластеров или очень больших ДНК и белковых молекул, данный пакет позволяет трактовать только частную физическую ситуацию,когда адсорбированная молекула является "непроводящей" в обычном смысле (имеет малое, по сравнению с абсолютными величинами энергий Ферми иглы и материала подложки, электронное сродство и большие ионизационные потенциалы), а механизм STM контраста определяется только медиацией адсорбатом взаимодействия электронных оболочек подложки и иглы. Такое влияние мостиковой молекулы на скорость электронного переноса между донором и акцептором хорошо известно в теории дальнего электронного переноса как "сверх-обменное" взаимодействие. Таким образом механическое взаимодействие между иглой, адсорбатом и поверхностью подложки не учитывается. Неупругие эффекты, которые важны при формировании STM изображений адсорбатов содержащих атомы металлов, также исключаются из рассмотрения. Не учитываются также температурные эффекты - расчеты проводятся в приближении нулевой температуры.
В настоящей версии пакет позволяет рассчитывать адсорбаты содержащие атомы элементов C, H, O, N, P, Cl, характерные для подавляющего большинства природных и синтетических органических соединений. В расчете учитываются только валентные Атомные Орбитали (АО) элементов , максимально возможный базис АО расчитываемой молекулы - до 500 АО. В качестве подложки могут быть рассмотрены поверхности графита, [100]-поверхность Cu или [100]-поверхность Ni.
В течение последних 5 лет многими лабораториями в мире было представлено большое количество различных STM изображений с атомарным разрешением адсорбированных систем. Пакет THEORSTM является первым программным пакетом, который позволяет рутинно предсказывать STM изображения этих систем. Только входная геометрия молекулы адсорбата необходима для проведения расчета STM изображения, все параметры вычислений могут быть использованы по умолчанию. Любой научный сотрудник - экспериментатор сможет проводить расчеты теоретических STM изображений с помощью удобного для пользователя меню пакета THEORSTM.
Пакет позволяет проводить вычисления STM изображений в режиме постоянного тунельного тока а также при постоянной высоте иглы. Возможно построение ВандерВаальсового профиля системы адсорбат+подложка. STM игла моделируется ввиде токи с одной АО S, P, D -типа или двух P-AO на расстоянии 3 А (модель двух острийной иглы); напряжение на игле в расчетах может быть установлено до 1 V.
Интерактивный визуализатор пакета позволяет рассматривать суперпозицию изображений STM профиля и стрежневой модели молекулы адсорбата и решетки подложки использованных в расчете а также манипулировать этой молекулярной моделью внутри экспери-ментального STM изображения. Имеется возможность проведения расчета теоретического STM изображения в выбранном таким образом положении модели для воспроизведения конкретного экспериментального изображения. Дальнейшее сопоставление экспериментального и расчитанного изображений позволит решить обратную задачу интерпретации STM данных.
Детальное описание физических механизмов лежащих в основании пакета, реализованных алгоритмов и несколько примеров применения методики может быть найдено в публикациях авторов [1. I.V. Kurnikov, V.S.Sivozhelezov, V.V.Redchenko, O.V.Gritcenko Molecular Engineering vol.2, p.165-176, 1992; 2. I.Kurnikov, C.Nicolini (submitted); 3. V.A.Bykov, V.V.Redchenko et al. Abstracts of International conferens STM-93 Beijing, China p.196, p.197 1993] а также ниже в разделе 4. С помощью пакета THEORSTM получено удовлетворительное согласие с эксперементом для STM изображений алканов [2] и фулерена [3].
Существенной чертой использованной для расчета STM изображений физической модели является следующая: тунельный ток пропорционален тунельному матричному элементу между Ферми уровнем иглы и электронными состояниями подложки возмущенными взаи-модействиями с Молекулярными Орбиталями (МО) адсорбата. Таким образом этот тунельный матричный является суммой прямого взаимодействия между иглой и состояниями подложки и суммой вкладов из-за состояний адсорбата, последние вычисляются использованием формулы теории возмущения второго порядка. Квантовохимический метод самосогласованного поля CNDO используется для вычисления ЛКАО-МО пространственных коэффициентов адсорбата. Дально-действие состояний адсорбата грубо принято во внимание использованием аналитического энергетически-зависимого распространения этих состояний вне молекулы. Электронные состояния подложки представлялись аналитическими выражениями. Электронные состоя-ния иглы представлялись компонентой сферической функции Бесселя.

Требования к компьютеру и програмному обеспечению

Основные модули пакета THEORSTM реализующие вычислительные алгоритмы написаны на стандартном FORTRAN-77 и могут быть запущены почти на любом компьютере, который имеет подходящий FORTRAN компилятор. Визуализатор STM изображений в настоящей версии (1.5) реализован только на IBM-PC использующем язык программирования С (Борланд Турбо С компилятор), таким образом, в случае использования произвольного компьютера для проведения основных вычислений, предполагается, что результаты вычислений будут трансформированы для рассмотрения на IBM-PC компьютере. В случае наличия другого програмного обеспечения для рассмотрения двухмерного массива данных соответсвующий конвертор должен быть написан. Ввод параметров реализован с помощью единственного ASCII файла, который может быть модифицирован использованием любого ASCII редактора. Управляющаю программа (написанная на TURBO C),которая обеспечивает удобную модификацию файла параметров, работает в MSDOS на IBM-PC.
Работа по моделированию STM изображений адсорбатов требует наличия программы для конструирования и визуализации атомной модели рассматриваемой системы. Такой программой может быть, например, OXFORD GRAPHICS для IBM-PC или INSIGHT-II для рабочей станции IRIS.
Ввиду больших компьютерных требований для вычисления STM изображений нормальная работа с пакетом возможна только на достаточно мощных компьютерах, которые имееют скорость больше, чем 1 Mflops и оперативную память больше, чем 4 Mb. Так же существенно иметь не менее 10 Mb свободного дискового пространства.
Пакет разрабатывался для использования на IBM-PC компьютере минимальная конфигурация для которого должна быть не хуже следующей: PC/AT-386 или выше, EGA карта с 256 K графической памятью, цветной монитор, MSDOS 3.0 или выше. Желательно, но не обязательно использование мыши. Предоставляемый NDP вариант версии 1.5 для IBM-PC конфликтует с резидентными программами распределения RAM и такие программы (например, HIMEM) должны быть отключены при проведении расчетов пакетом THEORSTM.
Разработанный программный пакет THEORSTM удовлетворительно работает на достаточно малопроизводительных IBM-PC компьютерах: время расчета на IBM-PC/AT 386 40 MHz STM изображения с числом точек 20*20=400 при постоянном тунельном токе молекулы фуллерена C60 (базис 240 AO, молекула состоит из 60 атомов) с помощью NDP версии 1.5 THEORSTM занимает 1 час 20 мин . При использовании упрощенного квантовохомического метода (Расширен-ного Метода Хюккеля - РМХ) тот же расчет может быть проведен за 20 мин. (В случае многих молекул использование такого упрощенного расчета не приводит к существенному ухудшению "качества" рассчи-танного изображения).