QuantumATK独有的新功能:考虑电声耦合效应能够准确和高效的计算电阻率和迁移率的新方法

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Synopsys QuantumWise公司与丹麦科技大学的研究组使用QuantumATK软件发表了一篇Phys. Rev. B文章[1]。文章介绍了一种  MD-Landauer 的新方法,将格林函数输运计算和分子动力学模拟结合,准确、高效的考虑 电声耦合(EPC)效应 的影响下的电阻率和迁移率。电声耦合效应在大部分电子器件中扮演着至关重要的作用。在各种体系(如硅和金纳米线,硅和金块体,碳纳米管和石墨烯,见图表1)中,MD-Landauer方法都得到了实验结果和使用目前流行的玻尔兹曼输运方程(BTE)方法计算的验证[2]。迁移率和电阻率的计算半定量的与BTE方法计算和实验结果一致,变化趋势完全重现。这表明 MD-Landauer 方法在考虑大体系和复杂体系(如非晶,缺陷和替位)的电声耦合效应中可以代替BTE方法。全尺度密度泛函电声耦合计算已成为可实现的方法,并且MD-Landauer方法在计算时间上更为合理。   Fig.1.MD-Landauer方法的图解: 1. 体系在Maxwell-Boltzmann分布的随机初始速度和目标温度下用分子动力学平衡一系列(10-50)MD轨迹,得到该温度下的一组结构;2. 使用ATK-DFT-NEGF方法对所有得到的结构进行电子透射计算,并将透射函数进行平均得到目标温度下的透射;3. 温度相关的电阻率由得到;4. 进一步由电阻率和态密度可以得到迁移率。   相关资源 Synopsys QuantumWise公司根据此文制作了金块体电阻率计算的案例。在网站上您可以找到关于 计算透射/电阻率 和 评估迁移率(使用BTE方法)的教程。其中所涉及的如硅和金纳米线和块体,碳纳米管和石墨烯都可以使用VNL图形用户界面进行建模和结构优化。 QuantumATK在处理电声耦合效应方面更高效的方法文章也已经发表,主要介绍特殊热位移(STD)-Landauer方法(STD-Landauer)以及其在超大尺度硅器件中的应用[3]。 MD-Landauer和STD-Landauer两种方法都已经由Synopsys QuantumWise公司在International Workshop on Computational Nanotechnology会议上发布。   参考文献 [1] T. Markussen, M. Palsgaard, D. Stradi, T. Gunst, M. Brandbyge and K. Stokbro, “Electron-phonon scattering from Green’s function transport combined with molecular dynamics: Applications to mobility […]

VNL-ATK 2017新版发布

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QuantumWise已于7月1日正式发布了VNL-ATK 2017版,新版引入了多种新的计算方法和大量的性能优化。   更新概要 大幅改进电声耦合计算性能 新的“special thermal displacement”近似方法,高效描述声子辅助隧穿 新增两种计算精确带隙的方法 改进默认参数设置 创新性的Wigner-Seitz方法加速大超胞的动态矩阵计算 输出文件改为HDF5格式 新增多种酷炫的2D、3D作图选项 变晶胞NEB过渡态搜索(模拟相变) 连接Materials Projects和COD数据库(或自建数据库) 完整的投影能带和DOS License信息 已经获得2017之后版本授权的用户,直接下载安装即可使用; 已经获得2016版学术免费VNL的用户,需要重新自助申请license(链接),以获得数据库、分子动力学、QE接口等更新; 最后版本为2016与之前的版本的用户,欢迎联系我们(sales@fermitech.com.cn)付费升级事宜; 欢迎各位新老用户联系我们(sales@fermitech.com.cn)获取最新版的试用许可。 本次更新详情 电声耦合计算 显著降低内存消耗(稀疏矩阵存储) 典型测试显示内存需求从800GB降为1.3GB 计算迁移率的新方法:常数弛豫时间方法(与BoltzTraP代码类似) 弛豫时间可以由实验确定,也可以从动态矩阵计算并在能量/k点取平均 对于电极材料重复形成的器件(长的纳米线、纳米管、二维片层)体系,非弹性电流计算速度提高100000倍,因为仅计算电极的动态矩阵和哈密顿量导数 将所有声子模式在能量范围内分组求和(近似),提速10-100倍 突破性进展 ATK2017引入了一种全新的特殊热位移(special thermal displacement;STD)近似,来考虑声子散射对IV曲线的影响。 STD-Landauer方法详见(PRB文章已发表),这种方法将全电子-声子耦合计算减少为中间区域的动态矩阵(LOE/XLOE计算所必须的)和每个偏压(温度)下的一个器件计算。基本思想是根据全部声子的正则系综平均生成单个的原子位移组合,即可包含所有的温度效应。 文章演示了这种方法是如何高效的研究声子对硅p-n结电流、硅块体和纳米线的迁移率的影响随温度变化的效应(图)。 总体性能改进 费米面以上能带数现自动设置 提速约2倍;过去版本可以手动设置,但多数用户都未注意到这个选项 新的自能存储选项 NoStorage(大大减少大体系的内存占用,但是每次重新计算) SaveInMemory(快速,但耗内存) StoreOnDisk(快速,不消耗内存,但消耗硬盘空间) 中间区域不同,但是电极相同时,重复使用自能计算结果 SparseGreenFunction改进 使用可以减少大洁面体系的内存消耗 尤其对于有限偏压时,每个能量(k)点使用多进程可以大大减少每个MPI进程的内存 No performance overhead anymore for the distributed Pulay […]

QuantumATK应用文章:第一原理方法计算电子-声子耦合和电子迁移率

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Synopsys QuantumWise和DTU Nanotech联合发表了题为“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”的文章(Phys. Rev. B 93, 035414 (2016))。 文章摘要 “我们采用密度泛函理论计算了n-型单层石墨烯、硅烯和MoS2的声子限制的电子迁移率。包括电子-声子耦合在内的材料的性质都采用第一原理完成。我们详细叙述了归一化的全能带弛豫时间近似与线性的玻尔兹曼方程(BTE)的方法来描述非弹性散射过程。块体电子-声子耦合采用超胞方法计算。这是一种完全的数值方法,因此不需要任何解析方法来处理问题,尤其是可以保留电声耦合和能带的各向异性信息。进一步计算可以得到低场的迁移率及其对载流子浓度和温度的依赖关系,加深对石墨烯、硅烯和单层MoS2材料的电子输运性质的理解。与石墨烯不同,硅烯中的载流子与面外振动模式相互作用很强。我们发现在硅烯面外振动模式的影响被限制接近于零(由于基底的影响,原子固定等类似情况)的情况下,石墨烯中的迁移率比硅烯仍然高出不止一个数量级。而当硅烯的面外振动模式没有限制时,硅烯中的迁移率基本为零。对于MoS2,我们得到的迁移率数值比石墨烯中低几个数量级,这与最近的其他理论计算吻合。模拟结果表明了新实现的基于第一原理和局域基组的BTE方法和模拟可以很好的预测材料的输运性质。” 相关实例教程 迁移率: 使用QuantumATK可以方便的研究: 由DFT方法计算电子布洛赫态和能量、声子模式和能量以及电子-声子耦合等信息使用玻尔兹曼输运方程计算电子迁移率 计算声子态、分析畸变势、电声耦合(右图),并在此基础上计算温度对迁移率的影响 使用大规模MPI并行可以大大减少计算时间   教程链接 更多QuantumATK在半导体材料研究的应用详见【这里】。  

QuantumATK在二维材料研究中的应用

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相关的实例教程 在QuantumATK中研究石墨烯 石墨烯和MoS2片层的电子输运: Transmission spectrum of perfect sheets of graphene and MoS2 二维受限的砷化铟: Meta-GGA and 2D confined InAs 电场作用下打开带隙: Opening a band gap in silicene and bilayer graphene with an electric field 石墨烯的热电效应: Graphene Thermoelectric effects 双层石墨烯的超晶格: Commensurate supercells for rotated graphene layers 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 […]