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   NanoLab高级图形用户界面:专注于研究,更快获得结果 NanoLab 图形用户界面丰富易用的功能可以让用户专注于研究项目的科学问题,专心思考科学问题,更快的发现新材料、创建新结构,避免在数据的导入、导出、处理、作图等琐碎的问题上浪费时间。NanoLab 可以: 最强大的材料表面结构建模工具 直观的选择表面方向和表面超胞 最合理的表面结构优化方法 快速构建各种结构模型 内嵌晶体结构数据库 搜索在线晶体结构数据 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 表面结构与吸附 表面分子吸附体系建模:中文教程、英文教程 硅表面重构研究:中文教程、英文教程 CO在Pd(100)表面的吸附:英文教程 复数能带 硅(100)表面体系的复数能带:英文教程 单电极表面模型与格林函数方法模拟表面 中文教程、英文教程 […]

QuantumATK在电池/储能材料中的应用

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概述 锂电池是当前电动汽车等电子、电气领域使用最广泛的的电池。通过计算模拟的手段可以预测并有效指导锂电池电极材料的实验研究,提升电池储能密度和寿命。 使用 NanoLab 可以: 构建电极材料的晶体结构,NanoLab 支持从网络晶体结构数据库中导入结构模型 模拟材料中的锂离子迁移过程,估算离子迁移速率 研究材料界面的电子特性,如能带结构、态密度 研究实例:磷酸铁锂中的锂离子扩散过程 磷酸铁锂(LiFePO4)是最常用的电极材料。锂电池材料涉及复杂的材料结构、电子态性质和离子动力学过程。在 NanoLab 中,通过构建LiFePO4电极的结构,可以构造锂离子在其中扩散的路径,并使用 NEB 方法优化扩散路径。 NanoLab 中提供的工具还可以使用简谐过渡态理论(Harmonic Transition State Theory)求算扩散速率,详见实例教程1。 锂电池材料的界面结构和电子态性质 研究者也可以使用界面研究工具方便的构建并研究界面的几何结构、电子态性质,详见实例教程2。 相关的实例教程 实例教程1:电池用磷酸铁锂(LiFePO4)材料中锂离子的扩散 实例教程2:Li-air 电池界面性质 实例教程3:Li-S电池的开路电压:ReaxFF力场模拟(英文) 立即试用 QuantumATK! 下载QuantumATK软件安装包 申请QuantumATK的全功能试用许可 获取永久免费学术版的NanoLab图形界面

QuantumATK在半导体材料与器件模拟中的应用

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概述 微纳电子学是当今对我们的日常生活有着重要影响的技术,尤其是在通讯、计算、消费电子、健康、运输、环境和安全领域。为确保高性能、高能效电子器件的发展,工业界开始着眼于可能部分替代传统硅晶体管的III-V族化合物半导体材料。在硅基平台上集成III-V族器件很可能在2018年实现量产,而要实现这一目标离不开TCAD等模拟工具,TCAD在纳米电子领域的广泛应用节约了大量的开发成本和实现市场化的时间。 随着半导体器件特征尺度的小到纳米级别,对相关材料与器件进行基于量子力学的原子级别模拟显得越来越重要。这为传统的基于量子力学的材料模拟方法提出了很多的挑战,QuantumATK从建模工具、计算方法、分析工具等完整的模拟平台入手,致力于解决这些问题,为半导体材料与器件的模拟提供有效、可靠、快捷的工具,特别双极器件模型的引入可以直接研究诸如pn结等异质结构的各种性质。 半导体的准确带隙 半导体材料都具有较窄的带隙(~1eV),并且其特性强烈的依赖于准确的能带尤其是带隙的计算。QuantumATK中提供的理论方法(ATK-DFT/SE)有专门针对半导体材料的MetaGGA方法和半经验参数,可得到接近实验数值的能带数据。QuantumATK中还支持使用杂化泛函和GW方法的计算,为带隙计算提供可靠的参考。 右图显示了不同材料的能隙计算值与实验值比较。普通的DFT方法(LDA和GGA)带隙计算值明显偏低。MetaGGA方法可以得到比较好的结构,计算量却与普通GGA泛函相仿。 材料界面 在半导体材料的实际应用中,半导体-氧化物、半导体-金属等材料界面对很多性质起决定性的作用。QuantumATK中提供高级的界面建模工具和系统的优化界面的方法,可以快捷的得到更合理的界面模型。 右图为Ag-SiO2-Si界面以及用LDOS计算得到的能带示意图。 掺杂模型 QuantumATK中可以使用补偿电荷法对指定区域进行指定浓度的掺杂,更好的模拟半导体材料中的低浓度掺杂,可以更方便的研究不同复杂异质结。 对器件进行模拟 直接模拟器件无疑是半导体材料的模拟非常吸引人的方向。QuantumATK中成熟的双电极器件模型(Two-probe device model)和非平衡态格林函数方法(Non-Equilibrium Green’s Fucntion, NEGF)是研究器件在偏压下的电子输运性质的有力工具。 在双电极器件模型的基础上,QuantumATK还可以使用高级的静电势模型,在器件区域增加具有指定介电常数的绝缘区域和具有特定电压的金属区域,用于模拟FET器件。 可研究的体系尺度 传统的原子级别的DFT计算通常只能模拟数百原子的体系,这离目前实验上能达到的器件加工能达到的最小尺度尚有一段距离。QuantumATK中的DFT方法具有更高的计算速度和效率,可以研究数千原子级别的体系;同时SE方法使用DFTB等参数化的哈密顿量方法,可以更快更好的计算万原子级别的体系,这使得模拟接近实验中的几十纳米尺度的体系成为可能。 目前文章中报道的使用 QuantumATK 研究的最大器件体系约有2400个原子(2015年);右图显示用 ATK-SemiEmpirical 研究受限的InAs器件结构(含5200个原子)。结构中还包含中央区域的 20nm 长的栅极,并进行了掺杂。 能带对齐(band alignment) QuantumATK支持直接对界面等复杂体系进行局域投影态密度的计算,可以十分方便的作出不同区域的能带对齐情况,研究指定位置的态密度。由于在QuantumATK中可以使用器件模型直接对真正的界面结构进行计算,因此可以避免普通块体材料计算的Slab模型带来的种种问题。  肖特基势垒 肖特基势垒是半导体材料界面的重要问题,很多时候直接决定了器件的性能。QuantumATK中可以方便的进行电势分析,并进行一维的投影作图,直接得到肖特基势垒的形状。结合能带弯曲情况研究,可以深入分析半导体-金属接触部分的电学特性。 右图显示了Ag-Si界面的肖特基势垒随掺杂浓度的变化情况。 发表的文章实例 第一原理方法计算电子-声子耦合和电子迁移率:在二维材料中的应用 Tue Gunst, et al. First-principles method for electron-phonon coupling and electron mobility: Applications to two-dimensional materials. Phys. Rev. B […]