这是本文档旧的修订版！
InAs p-i-n 结
概述
本教程演示如何进行一个InAs的器件计算，建立氢钝化的InAs(100)方向结构并建立 p-i-n 结。
InAs 二维体系的带隙
建立 InAs 二维体系的几何结构
在VNL图形界面中打开 Builder，点击 Add→From Database，搜索 InAs。点击右下角“+”将结构添加到 Builder 的 Stash 中。
下一步是将晶格常数修改为实验中室温下的晶格常数，即 $a=6.0583 Å $
- 展开右侧工具栏中的
Bulk Tools→Lattice Parameters…； - 选择保持分数坐标不动 fractional；
- 将 $a$ 设置为6.0583 Å
接下来打开右侧工具栏 Builder→Surface (Cleave)… 来沿着 (100) 方向切割晶体。
- 保持默认 (100) 方向不动，点击 “Next>”；
- 保持默认晶格不动，点击“Next>”；
- 保持默认超胞不动（此时方向确保为垂直表面方向）；
- 点击“Finish”。
接下来打开 Bulk tools→Repeat，输入 A=12，B=1，C=1，点击 Apply。
用快捷键 Ctrl+R 重设视角。
此时，应计算一下晶胞的大小，因为接下来对 p-i-n 结构进行掺杂时需要计算掺杂浓度。打开Bulk Tools→Lattice Parameters，晶胞体积在 Lattice Parameters 窗口的底部给出：1334.15 Å3。
要完成设置：
- 打开
Bulk tools→Lattice Parameters，选择保持 Cartesian，将 A 矢量长度设为 80 Å； - 打开
Coordinate tools→Center，将结构置于所有三个方向的中心。 - 打开
Coordinate tools→Custom Passivator；选择 Hybridization 4（sp3），将结构钝化。
此时，结构应如下图所示。
接下来，将结构发送到 Script Generator 中进行计算设置。
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
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。
# Add external potential external_potential = AtomicCompensationCharge([ ('H_As', -0.25), ('H_In', 0.25) ]) bulk_configuration.setExternalPotential(external_potential)
将脚本用Editor打开。ATK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：
# 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)], )
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
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。
用如下脚本可以得到带隙的精确值 0.759 eV。
- print_band_gap.py
bandstructure = nlread("InAs_5nm.nc", Bandstructure)[-1] print bandstructure._directBandGap().inUnitsOf(eV)
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：
#---------------------------------------- # Exchange-Correlation #---------------------------------------- exchange_correlation = MGGA.TB09LDA(c=0.98614)
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。