QuantumATK独有的新功能:非平衡态格林函数方法研究半无限表面模型

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概述

QuantumATK从最新版本开始引入了一个全新的、独一无二的半无限表面模型。与非平衡态格林函数方法配合,半无限表面模型可以比表面slab模型更完善的模拟表面体系。描述此方法的预印文章已经在arXiv上公开发布(https://arxiv.org/abs/1707.02141)。

模型

片层(Slab)模型

与其他的周期性模型程序类似,QuantumATK也可以用传统的Slab模型来描述表面体系,但Slab模型有很大的缺陷和局限:

  • Slab最大的不足是无法模拟实际表面下方通常是无限大的块体材料;
  • 由于厚度有限,Slab中的电子容易体现出量子限制的效应;
  • 两个表面之间可能相互影响;
  • 很难正确的在表面方向模拟外加电场;
  • 经常需要表面钝化、偶极校正等额外补救措施。
单电极表面(One-probe surface)模型(或半无限表面模型)

为此,QuantumATK 基于 DFT 和格林函数方法方法开发了真正可以模拟半无限表面体系的模型,即将一个表面 Slab 模型耦合于半无限的块体结构上(见下图)。

这种模型有以下几个独特的优势:

  • 算法复杂度降低,特别适合大体系计算;
  • 表面性质对表面层数的依赖显著降低;
  • 只需很少的层数就可以再现块体的电子态;
  • 可以正确的施加垂直表面方向的电场,模拟电场对表面体系的影响。

应用

文章报道了半无限表面模型的原理和应用,这些应用实例展示了半无限表面模型和格林函数方法的精确性,也证实了这个模型在表面体系研究中比传统模型具有明显的优势。

  • 计算过渡金属的功函数
  • 计算贵金属和拓扑绝缘体的表面态
  • Ge(001)|Si薄膜半导体异质结构的能带对齐
  • 电场对碘在Pt(111)上吸附的影响

 


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应用领域

与QuantumATK中的结构优化、能量计算、CI-NEB过渡态搜索等功能结合,这种模型还在表面化学、催化等领域有广泛的潜在应用。

  • 表面功函数
  • 表面态
  • 表面反应过渡态与催化
  • 拓扑绝缘体

相关的实例教程


参考

S. Smidstrup, D. Stradi, J. Wellendorff, P. Khomyakov, U. Vej-Hansen, M-E. Lee, T. Ghosh, E. Jonsson, H. Jonsson and K. Stokbro, “First-principles Green’s-function method for surface calculations: a pseudopotential localized basis set approach”. Phys. Rev. B 96,195309 (2017). arXiv:1707.02141 [cond-mat.mtrl-sci].


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