Quantum ESPRESSO is an integrated suite of open-source computer codes for quantum simulations of materials using state-of-the art electronic-structure techniques, based on density-functional theory, density-functional perturbation theory, and many-body perturbation theory, within the plane-wave pseudo-potential and projector-augmented-wave approaches. Quantum ESPRESSO owes its popularity to the wide variety of properties and processes it allows to simulate, to its performance on an increasingly broad array of hardware architectures, and to a community of researchers that rely on its capabilities as a core open-source development platform to implement theirs ideas. In this paper we describe recent extensions and improvements, covering new methodologies and property calculators, improved parallelization, code modularization, and extended interoperability both within the distribution and with external software.

Empirical databases of crystal structures and thermodynamic properties are fundamental tools for materials research. Recent rapid proliferation of computational data on materials properties presents the possibility to complement and extend the databases where the experimental data is lacking or difficult to obtain. Enhanced repositories that integrate both computational and empirical approaches open novel opportunities for structure discovery and optimization, including uncovering of unsuspected compounds, metastable structures and correlations between various characteristics. The practical realization of these opportunities depends on a systematic compilation and classification of the generated data in addition to an accessible interface for the materials science community. In this paper we present an extensive repository, aflowlib.org, comprising phase-diagrams, electronic structure and magnetic properties, generated by the high-throughput framework AFLOW. This continuously updated compilation currently contains over 150,000 thermodynamic entries for alloys, covering the entire composition range of more than 650 binary systems, 13,000 electronic structure analyses of inorganic compounds, and 50,000 entries for novel potential magnetic and spintronics systems. The repository is available for the scientific community on the website of the materials research consortium, aflowlib.org.

Large-scale molecular dynamics simulations were used to study the response of carbon nanotubes to a tensile load. Plastic or brittle behaviors can occur depending upon the external conditions and tube symmetry. All tubes are brittle at high strain and low temperature, while at low strain and high temperature armchair $(n,n)$ nanotubes can be completely or partially ductile. In zigzag $(n,0)$ tubes ductile behavior is expected for tubes with $n<14$, while larger tubes are completely brittle. In both cases the curvature determines the mechanical response.

We present a combined theoretical and experimental study of the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As which explains the remarkably large changes observed on low-temperature annealing. Careful control of the annealing conditions allows us to obtain samples with ferromagnetic transition temperatures up to 159 K. Ab initio calculations, in situ Auger spectroscopy, and resistivity measurements during annealing show that the observed changes are due to out diffusion of Mn interstitials towards the surface, governed by an energy barrier of 0.7-0.8 eV. Electric fields induced by Mn acceptors have a significant effect on the diffusion.

Static and dynamical properties of carbon nanotubes under uniaxial tension have been investigated via quantum and classical simulations. In strained nanotubes at high temperatures we observe the spontaneous formation of double pentagon-heptagon defect pairs. Tubes containing these defects are energetically preferred to uniformly stretched tubes at strains greater than 5%. These topological defects act as nucleation centers for the formation of dislocations in the originally ideal graphite network, and they constitute the onset of a plastic deformation of the carbon nanotube. The mechanism of formation of such defects, their energetics, and transformations are described.

We present an efficient approach to describe the electronic transport properties of extended systems. The method is based on the surface Green's function matching formalism and combines the iterative calculation of transfer matrices with the Landauer formula for the coherent conductance. The scheme is applicable to any general Hamiltonian that can be described within a localized orbital basis. As illustrative examples, we calculate transport properties for various ideal and mechanically deformed carbon nanotubes using realistic orthogonal and nonorthogonal tight-binding models. In particular, we observe that bent carbon nanotubes maintain their basic electrical properties even in the presence of large mechanical deformations.

The electron-phonon interaction and related transport properties are investigated in monolayer silicene and MoS2 by using a density functional theory calculation combined with a full-band Monte Carlo analysis. In the case of silicene, the results illustrate that the out-of-plane acoustic phonon mode may play the dominant role unlike its close relative - graphene. The small energy of this phonon mode, originating from the weak sp2 bonding between Si atoms, contributes to the high scattering rate and significant degradation in electron transport. In MoS2, the longitudinal acoustic phonons show the strongest interaction with electrons. The key factor in this material appears to be the Q valleys located between the {\Gamma} and K points in the first Brillouin zone as they introduce additional intervalley scattering. The analysis also reveals the potential impact of extrinsic screening by other carriers and/or adjacent materials. Subsequent decrease in the actual scattering rate can be drastic, warranting careful consideration. Finally, the effective deformation potential constants are extracted for all relevant intrinsic electron-phonon scattering processes in both materials.

Advances in renewable and sustainable energy technologies critically depend on our ability to design and realize materials with optimal properties. Materials discovery and design efforts ideally involve close coupling between materials prediction, synthesis and characterization. The increased use of computational tools, the generation of materials databases, and advances in experimental methods have substantially accelerated these activities. It is therefore an opportune time to consider future prospects for materials by design approaches. The purpose of this Roadmap is to present an overview of the current state of computational materials prediction, synthesis and characterization approaches, materials design needs for various technologies, and future challenges and opportunities that must be addressed. The various perspectives cover topics on computational techniques, validation, materials databases, materials informatics, high-throughput combinatorial methods, advanced characterization approaches, and materials design issues in thermoelectrics, photovoltaics, solid state lighting, catalysts, batteries, metal alloys, complex oxides and transparent conducting materials. It is our hope that this Roadmap will guide researchers and funding agencies in identifying new prospects for materials design.