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atk:inas_p-i-n_结 [2017/03/20 15:51] – [设置并运行计算] dong.dongatk:inas_p-i-n_结 [2018/03/20 22:06] (当前版本) – liu.jun
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 ==== 设置并运行计算 ==== ==== 设置并运行计算 ====
  
-我们用自洽的Vogl模型计算此体系的DOS，为此我们需要使用自定义的参数设置，这是因为VNL默认数据中不包含InAs和H的数据。+我们用自洽的Vogl模型计算此体系的DOS，为此我们需要使用自定义的参数设置，这是因为老版本中 VNL 默认数据中不包含 InAs 和 H 的数据。 
 + 
 +为此： 
 +  * 添加 New Calculator； 
 +  * 添加 Analysis->DensityOfStates； 
 +  * 添加 Analysis->Bandstructure； 
 +  * 将输出文件设为InAs_5nm.nc。 
 + 
 +打开 **New Calculator** 单元，进行如下设置： 
 +  * 设置 ATK-SE: Slater-Koster calculator； 
 +  * 将 k 点设为：1，11，11； 
 +  * 取消 No SCF iteration 设定。 
 + 
 +打开 **DensityOfStates**，将 k 点设为 1，15，15。 
 + 
 +打开 **Bandstructure**，将 points per segment 设为201。 
 + 
 +将脚本保存为 ''InAs_5nm.py''。 
 + 
 +=== 自定义计算方法参数 === 
 + 
 +<WRAP center tip 100%> 
 +新版用户也可以在 Slater-Koster 基组中选择 Bassani.InAsH sp3d5s* 基组，并设置端基氢的电荷，将以下段落置于 Caculator 之前，不必再设置自定义基组。 
 + 
 +<code python> 
 +# Add external potential 
 +external_potential = AtomicCompensationCharge([ 
 +    ('H_As', -0.25), 
 +    ('H_In', 0.25) 
 +    ]) 
 + 
 +bulk_configuration.setExternalPotential(external_potential) 
 +</code> 
 + 
 +</WRAP> 
 + 
 +将脚本用Editor打开。QuantumATK中缺少定义 H-端基的 InAs 紧束缚基组，下面脚本中提供了这个基组。在 ''InAs_5nm.py'' 中，将 Calculator一段用以下替代： 
 + 
 +<code python> 
 +# Add external potential 
 +external_potential = AtomicCompensationCharge([ 
 +    ('H_As', -0.25), 
 +    ('H_In', 0.25) 
 +    ]) 
 + 
 +bulk_configuration.setExternalPotential(external_potential) 
 + 
 +# ------------------------------------------------------------- 
 +# Calculator 
 +# ------------------------------------------------------------- 
 +#---------------------------------------- 
 +# Basis Set 
 +#---------------------------------------- 
 + 
 +basis_set = Bassani.InAs_Basis 
 + 
 +as_onsite_parameters = SlaterKosterOnsiteParameters( 
 +    element=PeriodicTable.Arsenic, 
 +    angular_momenta=[ 0 , 1 , 2 , 0 ], 
 +    occupations=[ 1.577, 3.012, 0.204, 0.067 ], 
 +    filling_method=SphericalSymmetric, 
 +    ionization_potential=[ -5.9801*eV , 3.5813*eV , 12.1954*eV , 17.8411*eV ], 
 +    onsite_hartree_shift=7.81664*eV, 
 +    onsite_spin_split=ATK_W(PeriodicTable.Arsenic, [ "4s", "4p", "4p", "4s" ]), 
 +    onsite_spin_orbit_split=[0.0,2*0.1763,0.0, 0.0]*eV, 
 +    ) 
 + 
 +in_onsite_parameters = SlaterKosterOnsiteParameters( 
 +    element=PeriodicTable.Indium, 
 +    angular_momenta=[ 0 , 1 , 2 , 0 ], 
 +    occupations=[ 1.113, 1.668, 0.300, 0.059 ], 
 +    filling_method=SphericalSymmetric, 
 +    ionization_potential=[ 0.3333*eV , 6.4939*eV , 12.1954*eV , 17.8411*eV ], 
 +    onsite_hartree_shift=3.34624*eV, 
 +    onsite_spin_split=ATK_W(PeriodicTable.Indium, ["5s", "5p", "5p", "5s"]), 
 +    onsite_spin_orbit_split=[0.0,2*0.1248,0.0, 0.0]*eV 
 +) 
 +h_onsite_parameters = SlaterKosterOnsiteParameters( 
 +    element=PeriodicTable.Hydrogen, 
 +    angular_momenta=[ 0 ], 
 +    occupations=[ 1], 
 +    filling_method=SphericalSymmetric, 
 +    ionization_potential=[ 0.6*eV  ], 
 +    onsite_hartree_shift=ATK_U(Hydrogen, ['1s']), 
 +    onsite_spin_split=[[0.0]]*eV, 
 +    ) 
 +offsite_parameters = basis_set.offsiteParameters() 
 +basis_set = SlaterKosterTable( 
 +                arsenic = as_onsite_parameters, 
 +                indium = in_onsite_parameters, 
 +                hydrogen = h_onsite_parameters, 
 +                in_as_sds =  offsite_parameters['in_as_sds'], 
 +                in_as_pdp =  offsite_parameters['in_as_pdp'], 
 +                in_as_sss =  offsite_parameters['in_as_sss'], 
 +                in_as_pds =  offsite_parameters['in_as_pds'], 
 +                in_as_ddp =  offsite_parameters['in_as_ddp'], 
 +                as_in_pds =  offsite_parameters['as_in_pds'], 
 +                as_in_pdp =  offsite_parameters['as_in_pdp'], 
 +                in_as_dds =  offsite_parameters['in_as_dds'], 
 +                as_in_s1ps = offsite_parameters['as_in_s1ps'], 
 +                in_as_s1ps = offsite_parameters['in_as_s1ps'], 
 +                in_as_ppp =  offsite_parameters['in_as_ppp'], 
 +                in_as_s1s1s =offsite_parameters['in_as_s1s1s'], 
 +                in_as_pps =  offsite_parameters['in_as_pps'], 
 +                in_as_ddd =  offsite_parameters['in_as_ddd'], 
 +                as_in_s1ss = offsite_parameters['as_in_s1ss'], 
 +                as_in_sps =  offsite_parameters['as_in_sps'], 
 +                as_in_s1ds = offsite_parameters['as_in_s1ds'], 
 +                in_as_s1ds = offsite_parameters['in_as_s1ds'], 
 +                as_in_ss1s = offsite_parameters['as_in_ss1s'], 
 +                in_as_sps =  offsite_parameters['in_as_sps'], 
 +                as_in_sds =  offsite_parameters['as_in_sds'], 
 +                h_as_sss = [(0.5*Ang, -3.5*eV), (1.0*Ang, -3.5*eV), (1.25*Ang, -3.5*eV), 
 +                            (1.5*Ang, -3.5*eV), (1.6*Ang, -3.5*eV), (1.7*Ang, -3.5*eV), 
 +                            (1.8*Ang, -3.5*eV), (1.9*Ang, -3.5*eV), (2.0*Ang, -3.5*eV), 
 +                            (2.1*Ang, -3.5*eV), (2.2*Ang, 0.0*eV)], 
 +                h_in_sss = [(0.5*Ang, -3.5*eV), (1.0*Ang, -3.5*eV), (1.25*Ang, -3.5*eV), 
 +                            (1.5*Ang, -3.5*eV), (1.6*Ang, -3.5*eV), (1.7*Ang, -3.5*eV), 
 +                            (1.8*Ang, -3.5*eV), (1.9*Ang, -3.5*eV), (2.0*Ang, -3.5*eV), 
 +                            (2.1*Ang, -3.5*eV), (2.2*Ang, 0.0*eV)], 
 +                h_as_sps = [(0.5*Ang, 4.5*eV), (1.0*Ang, 4.5*eV), (1.25*Ang, 4.5*eV), 
 +                            (1.5*Ang, 4.5*eV), (1.6*Ang, 4.5*eV), (1.7*Ang, 4.5*eV), 
 +                            (1.8*Ang, 4.5*eV), (1.9*Ang, 4.5*eV), (2.0*Ang, 4.5*eV), 
 +                            (2.1*Ang, 4.5*eV), (2.2*Ang, 0.0*eV)], 
 +                h_in_sps = [(0.5*Ang, 4.5*eV), (1.0*Ang, 4.5*eV), (1.25*Ang, 4.5*eV), 
 +                            (1.5*Ang, 4.5*eV), (1.6*Ang, 4.5*eV), (1.7*Ang, 4.5*eV), 
 +                            (1.8*Ang, 4.5*eV), (1.9*Ang, 4.5*eV), (2.0*Ang, 4.5*eV), 
 +                            (2.1*Ang, 4.5*eV), (2.2*Ang, 0.0*eV)], 
 +    ) 
 +</code> 
 + 
 + 
 +此脚本包含两个部分的内容。第一部分将与As连接的氢的电荷修改为0.75，而与 In 连接的氢电荷修改为1.25。第二部分则定义了Slater-Koster基组和氢钝化的参数，以去除带隙中的悬挂键能级。 
 + 
 +将脚本保存，并提交到 Job Manager进行计算。
  
  
 ==== 分析结果 ==== ==== 分析结果 ====
  
-==== 电子亲和性 ====+在主窗口中选中结果文件''InAs_5nm.nc''，在LabFloor中找到 DOS 和 Bandstructure 数据对象。作出 DOS 和 Bandstructure 图以确定带隙。 
 + 
 +{{ :atk:inas-p-i-n-nanowire_dos.png?600 |}} 
 + 
 +用如下脚本可以得到带隙的精确值 0.759 eV。 
 + 
 +<file python print_band_gap.py> 
 +bandstructure = nlread("InAs_5nm.nc", Bandstructure)[-1] 
 +print bandstructure._directBandGap().inUnitsOf(eV) 
 +</file> 
 +==== 电子亲和能 ==== 
 + 
 +由于二维 InAs 体系的带隙大于 0 K 下块体 InAs的带隙（0.415 eV），可以想见此此体系的电子亲和能也与干净的(110)表面（4.55 eV）不同。 
 + 
 +在这一节中，我们这样计算未掺杂的半导体的电子亲和能（$E_{aff}$），即导带底（$CBM$）与真空能级（$E_{vac}$）的能量差。 
 +使用之前的Bassani基组时，这两个能量无法直接关联起来，因此，我们可以使用DFT方法（如MGGA泛函）来计算。 
 + 
 +=== InAs 块体 === 
 + 
 +首先，我们将MGGA计算的带隙拟合到我们本教程采用Slater-Koster得到的带隙。详细方法参见【MetaGGA 与二维受限 InAs】。 
 + 
 +用 S-K 方法和Bassani基组计算得到的 InAs 块体带隙为 0.54 eV，MGGA TB09需要的拟合参数 c 值则为0.98614。在接下来本教程的MGGA计算中将一直采用这个数值： 
 + 
 +<code python> 
 +#---------------------------------------- 
 +# Exchange-Correlation 
 +#---------------------------------------- 
 +exchange_correlation = MGGA.TB09LDA(c=0.98614) 
 +</code> 
 + 
 +注意：增加自旋-轨道耦合可以进一步改善带隙计算的精度，然而，要小心计算量将大大增加。此处仅计算非极化的自旋态。 
 + 
 +=== InAs 片层 === 
 + 
 +下一步是用MGGA计算片层（slab）模型的电子能带结构以及真空能级。计算将使用之前已经计算过的二维片层，此结构后面将用于电极构建。 
 + 
 +将 ''InAs_5nm.nc'' 文件中的 bulk configuration 发送到 **Scripter**， 这样之前对氢原子进行的掺杂等信息都将得到保留。 
 +  * 将 Calculator 设为 ATK-DFT，选择 MGGA 交换关联泛函，使用 1x11x201 k点，以与电极设置匹配； 
 +  * 在 Poisson Solver 设置中选择 multigrid solver，在 A 方向选择 Dirichlet 边界条件； 
 +  * 添加 Analysis -> Bandstructure，points per segment 设为 201，bands above Fermi level 设为 50； 
 +  * 添加 Analysis -> HartreeDifferencePotential； 
 +  * 添加 Analysis -> ChemicalPotential； 
 +  * 保存脚本，并运行计算。 
 + 
 +由于 A 方向设置了 Dirichlet 边界条件，因此真空处真空能级为零。我们可以使用 1D Projector来将 A 方向的 HartreeDifferencePotential 的平均值作图，并分析片层外部的电势衰减。 
 + 
 +{{ :atk:electrostaticdifferencepotential_2dslab_mgga.png?400 |}} 
 + 
 +从能带结构图中，我们可以获得能带边缘相对于费米能级（$E_F$）的数值。$CBM=0.325eV$，$VBM_0=-0.372eV$，因此带隙约为 0.697eV。 
 + 
 +{{ :atk:bs_slab_mgga.png?400 |}} 
 + 
 +最后，从费米能级的值（相对于Hartree Difference Potential中的零点）和能带边缘的位置可以计算电子亲和能。费米能级的数值可以直接从 Chemical Potential 中读取： 
 +$$ 
 +E_F=-5.41eV, CBM=E_F + CBM_0 = -5.41 + 0.325 = -5.085eV 
 +$$ 
 + 
 +这个二维片层模型的电子亲和能为 5.09 eV，比 InAs(110) 方向的电子亲和能高出 0.5 eV。 
 + 
 + 
  
  
行 57: 行 251:
  
 ==== 建立FET器件结构模型 ==== ==== 建立FET器件结构模型 ====
 +
 +器件模型建立自 5nm 厚的片层模型。打开 **Builder**，导入 ''InAs_5nm.py'' 结构。
 +
 +注意：如果有原子位于单胞外面，将导致电极模型错误。因此我们需要移动结构，使得所有原子都位于晶胞内部。
 +
 +为此，使用 ''Coordinate Tools'' -> ''Translate''，选中 fractional coordinates，使用 0，0，-0.15 矢量平移。这将使下一步 wrap 原子时所有氢原子都移到单胞中间。
 +
 +打开 ''Bulk Tools'' -> ''Wrap''，点击 **Apply**。所有原子都进入晶胞。
 +
 +最后，打开 ''Bulk Tools'' -> ''Center''，点击 **Apply**，将结构置于单胞中央。
 +
 +结构如下：
 +{{ :atk:inas-electrode.png?400 |}}
 +
 +我们要创建一个 60 nm 长的器件，因此这个结构要在 C 方向重复 100 次。打开 ''Bulk Tools'' -> ''Repeat''，设置 A=1，B=1，C=100，点击 **Apply**。
 +
 +=== 定义栅极 ===
 +
 +接下来我们在两侧设置 1 nm 厚的介电绝缘层，并在中间设置双栅极。
 +
 +打开 ''Miscellaneous'' -> ''Spatial Region...'':
 +  * 右单击弹出窗口的空白区域，选择 insert new spatial region；
 +  * 将其改为 dielectric，并设置介电常数为3.9。定义分数坐标 a：0.0375-0.165；b：0-1；c：0-1。
 +  * 再添加一个介电区域，介电常数为3.9.分数坐标为 a：0.8375-0.9625；b：0-1；c：0-1。
 +  * 再添加一个金属区域，电势为 0.0 Volt。分数坐标为 a：0-0.0375；b：0-1；c：0.33-0.66。
 +  * 再添加一个金属区域，电势为 0.0 Volt。分数坐标为 a：0。9625-1；b：0-1；c：0.33-0.66。
 +
 +{{ :atk:inas-spatialregions.png?400 |}}
 +
 +最后，将结构转变成器件模型：打开 ''Device Tools'' -> ''Device from Bulk...''，使用默认设置即可。
 +
 +接下来是在电极区域也添加绝缘的介电层，这个操作目前无法在图形界面上实现，因此需要使用 Editor 修改脚本。
 +
 +首先，将以下脚本放入左电极定义之后：
 +
 +<code python>
 +# Add dielectric region
 +
 +dielectric_region_0 = BoxRegion(
 +    3.9,
 +    xmin = 3.0*Ang, xmax = 13.0*Ang,
 +    ymin = 0.0*Ang, ymax = 4.28387*Ang,
 +    zmin = 0.0*Ang, zmax = 6.0583*Ang,
 +)
 +
 +dielectric_region_1 = BoxRegion(
 +    3.9,
 +    xmin = 67.0*Ang, xmax = 77.0*Ang,
 +    ymin = 0.0*Ang, ymax = 4.28387*Ang,
 +    zmin = 0.0*Ang, zmax = 6.0583*Ang,
 +)
 +
 +dielectric_regions = [dielectric_region_0, dielectric_region_1]
 +left_electrode.setDielectricRegions(dielectric_regions)
 +</code>
 +
 +再在右电极定义之后加入下面脚本：
 +
 +<code python>
 +# Add dielectric region
 +right_electrode.setDielectricRegions(dielectric_regions)
 +</code>
 +
 +将脚本发回到Builder，现在结构看上去如下图。
 +
 +{{ :atk:inas_pin_viewer.png?600 |}}
 +
 +=== 定义掺杂 ===
 +
 +在新版的 VNL 中，掺杂变得十分容易，可以直接在图形界面上实现。
 +
 +为此，我们先选定左侧三分之一区域的原子（与左电极）设置掺杂为 p 型，浓度 $10^{19}$；右侧设置为 n 型，浓度 $10^{19}$。
 +
 +  * 使用表达式选择工具比直接用鼠标拖选要方便得多。打开 ''Selection Tools'' -> ''By Expression''，输入“c<0.33”，按回车键（注意观察选定原子的情况）；
 +  * 打开 ''Miscellaneous''->''Doping''，添加一个新的掺杂区域，并设为p型，浓度为默认$10^{19}$；
 +  * 打开 ''Selection Tools'' -> ''By Expression''，输入“c>0.66”，按回车键（注意观察选定原子的情况）；（设置 underlap 结构时，输入“c>0.833”）
 +  * 打开 ''Miscellaneous''->''Doping''，添加一个新的掺杂区域，并设为n型，浓度为默认$10^{19}$。
 +
 +
 +接下来，将结构发送到 **Script Generator** 来设置计算。
 +
  
 ==== 零栅压计算 ==== ==== 零栅压计算 ====
atk/inas_p-i-n_结.1489996301.txt.gz · 最后更改: 2017/03/20 15:51 由 dong.dong

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