二维半金属FeX2(X=Cl,Br,I)铁磁体的本征自旋动力学性质

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摘要 具有本征半金属性的超薄二维铁磁体在纳米自旋电子学器件设计中具有很好的应用前景。在这项工作中,作者利用密度泛函理论(DFT)系统地研究了一类有前途的二维铁磁体单层二卤化铁(FeX2,X=Cl,Br,I)的自旋输运和动力学性质。全部计算使用QuantumATK 完成,作者充分使用了 DFT 的 LCAO 基组、平面波基组方法,并在不同方法之间进行了对比。分析计算则包括自旋分辨能带、二维费米面、自旋极化的电子输运(DFT-NEGF)、声子计算、磁各向异性、Gibert Damping(Kambersky torque-torque关联模型)。 首先,作者使用非平衡格林函数(NEGF)与 DFT 结合方法,研究了 FeX2 单分子膜的自旋输运性质。研究显示了体系固有的半金属性和较大自旋带隙,在较宽费米窗口(>1ev)上可以产生 100% 的自旋极化。 在此基础上,作者深入研究了它们的磁各向异性、Gilbert 阻尼和交换相互作用,这是控制自旋动力学的关键。作者的模拟方法包括使用 force theorem 来确定磁各向异性,采用 Kambersky 的转矩-转矩关联模型确定 Gilbert 阻尼。计算结果揭示了这些材料中相当大的垂直各向异性(0.04到0.25 mJ/m2)以及相对较低的 Gilbert 阻尼(7.9×10−5 到 3.7×10−4)。 作者在计算模拟结果的基础上,利用自旋极化格林函数理论,探讨了这些材料中的有效交换相互作用,并研究了它们的自旋波刚度(spin-wave stiffness)、交换刚度常数(exchange stiffness constant)和居里温度(Curie temperature)。所有这些计算都提供了这些 2D FeX2 铁磁体作为下一代自旋电子学应用材料的重要性依据。   参考 原文:Ram Krishna Ghosh, Ashna Jose, and Geetu Kumari. Intrinsic spin-dynamical properties of two-dimensional half-metallic FeX2 […]

基于BiFeO3的无机光伏电池:自发极化、晶格匹配、光极化及其与光伏性能的关系

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摘要 无机钙钛矿铁电氧化物具有比有机-无机杂化型钙钛矿化合物更稳定的特点。然而,基于这些材料的太阳能电池能量转换效率并不高。本文作者通过构建基于铁酸铋的一系列太阳能电池,采用密度泛函结合非平衡格林函数的方法,研究了铁电自发极化、铁酸铋与电极材料的晶格匹配以及极化光等三种因素对太阳能电池光伏性能的影响。结果表明:(1)相比于铁电自发极化,铁酸铋的带隙对光电流的影响更大;(2)在钛酸锶材料作为电极的情况下,铁酸铋中的特定离子与之接触,会使电池的光电流达到更大值;(3)偏振方向垂直于自发极化方向的偏振光作为光源,会使光电流增大。上述研究结果有助于更深一步理解基于铁酸铋太阳能电池的效率问题。 此项研究使用 QuantumATK 构造了典型的界面、器件体系并使用DFT-NEGF方法计算了光电流。 参考 Chao He, et al. Inorganic photovoltaic cells based on BiFeO3: spontaneous polarization, lattice matching, light polarization and their relationship with photovoltaic performance. Phys. Chem. Chem. Phys., 2020,22, 8658-8666. 应用解决方案:光伏材料的模拟与仿真 界面超胞构建的方法:NanoLab在材料界面的最优超胞建模中的应用 界面模型与计算:材料界面的建模和模拟  

QuanumATK用户支持群在线活动预告

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QuantumATK 用户支持群 自2020年建立了QuantumATK直播群以来,费米科技已经推出了一系列的基础直播课程和用户讲座。从今年起,钉钉群正式升级为用户支持群,并作为主要的直播、交流和内容分享的渠道。欢迎广大 QuantumATK 用户加入。加入方法:下载并注册钉钉,搜索群号“30278346(1群)”或“32548072(2群)”(两个群同步更新,内容相同;加入时请提供真实单位和姓名,以便尽快获得核准加入)。 QuantumATK 2021年线上活动计划 费米科技计划继续保持在线活动计划,直播时间固定在每周二下午,具体内容和时间根据实际情况提前安排和通知,主要包括: 材料计算基础教程 全新的系列教程,帮助计算模拟的初学者跨域从理论教材中基本概念到计算软件具体操作的鸿沟,更快的掌握计算模型和方法。 演示和教程讲解 延续2020年的演示教程,介绍QuantumATK的基本功能、特色功能和新功能。 邀请用户讲座 今年将举办老用户的系列报告线上专场,我们热忱欢迎老师和同学毛遂自荐或推荐同行主讲。 互动答疑时间 欢迎大家通过邮件或钉钉与我们讨论问题,我将选取有代表性的问题集中在直播时进行详细讲解。 更多活动信息和日历,敬请关注群动态和活动网页: https://www.fermitech.com.cn/events/ 费米科技再次感谢 QuantumATK 新老用户对我们的支持!

探索钙钛矿光伏电池性能的微观与宏观途径

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概述 此项研究使用两种计算方法来研究混合钙钛矿型锡基光伏太阳能电池。第一种方法基于微观的原子级别电子输运性质计算,结合了密度泛函理论和非平衡格林函数理论。作者对透射谱和态密度的模拟结果表明,由于电子态的离域化,从 MASnI3 到 MASnBr3 的输运带隙减小,表现出较大的电子输运能力。第二种方法是基于器件尺度的漂移扩散方法的模拟,发现钙钛矿-锡基混合光伏电池的参数明显依赖于钙钛矿吸收层的厚度。表面复合速度在 1~10 cm/s 和 102~103 cm/s 范围内,MASnIBr2 和 MASnBr3 的效率分别达到 16.07% 和 12.52%,可以提高太阳能电池的性能。 研究中使用 QuantumATK 直接构造了如下的器件模型,这在QuantumATK的图形用户界面中可以十分方便的快速完成。 研究中采用了QuantumATK中最为成熟的DFT-NEGF方法计算了上述系列器件的伏安特性、能带排列等性质。 作者还采用免费软件 SCAPS-1D 对真实尺寸的器件性能进行了研究,比如性能对吸光层厚度的依赖等。在对多层体系的能带排列进行研究时,QuantumATK提供了更方便的工具,并可以将结果与器件尺度的研究耦合起来: 双端电极界面模型可以免除Slab模型的偶极校正等烦恼 PLDOS计算模块直接得到多层体系的能带排列 快速的杂化泛函方法(HSE06-LCAO)研究更大的体系 参考 光伏材料的计算模拟与器件仿真 使用QuantumATK进行多尺度模拟:界面处能带收窄导致CZTS太阳能电池开路电压损失 材料界面的建模和模拟 原文:Physica B: Physics of Condensed Matter 591 (2020) 412247. 立即试用 QuantumATK! 下载QuantumATK软件安装包 申请QuantumATK的全功能试用许可  

QuantumATK的图形用户界面

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概述 QuantumATK 为用户提供了方便易用的图形用户界面环境(NanoLab),可以轻松的完成各种计算模拟任务;内嵌的Python 的编程接口则允许有经验的用户实现复杂的计算流程或进行高级的数据分析。用户可以使用 NanoLab 进行几何结构模型构建、设置计算参数,读入、分析计算结果。用户还可以自己编程设计自己的图形界面插件,实现文件格式交换、数据处理作图、设计新型结构和计算流程,等等。 更多功能介绍详见 QuantumATK功能列表。 建模工具详见:QuantumATK中的建模工具。 建模工具 QuantumATK的图形界面 NanoLab 提供了丰富易用的建模工具,能够满足不同层次的模型构建需求。 原子级结构建模工具,可构建分子、晶体、纳米结构和器件 对称性信息工具 超胞工具 交互式的结构(原子或片段)控制(选择、编辑、移动), 表面建模 选择Miller指数,表面布拉维各自和切割平面 创建slab或超胞结构 界面建模 分析不同的超胞大小和晶体角度的应变 优化界面结构 正二十面体建模 构建二十面体纳米粒子 Wulff 结构建模 构建表面能最低的纳米粒子 NEB 建模 设置反应路径 逐个编辑中间态 使用 IDPP 方法预优化 NEB 路径 使用 Python 脚本调用各种方法(LI-LinearInterpolation、HLC-HalgrenLipscomb和IDPP-ImageDependentPairPotential)进行自动化 NEB 路径创建 创建器件结构用于输运计算 纳米结构(石墨烯、纳米管、纳米线)建模 分子建模工具 多晶建模工具 表面钝化工具 导入导出绝大多数结构文件类型(可以用插件扩展功能,内置 OpenBabel) Packmol分子填充工具 内置 SQS 建模工具 使用基因算法(其他程序采用蒙特卡洛方法会比较慢) 目前支持二元体系,例如 SiGe 或者 […]

机器学习方法分析无序MgAl2O4结构形成的磁性隧道结的隧道磁电阻

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摘要 此项研究通过贝叶斯优化和最小绝对收缩选择算子(LASSO)技术结合第一性原理计算,探索了 Fe/无序MgAl2O4(MAO)/Fe(001)磁性隧道结(MTJ)的隧道磁电阻(TMR)效应。通过对 1728 个候选结构进行贝叶斯优化,得到了 TMR 最大的最优结构,在 300 次结构计算中达到收敛。对所得结构的表征表明,两个铝原子之间的面内距离在决定 TMR 方面起着重要作用。由于无序 MAO 的 Al-Al 距离对复数能带结构的虚部有显著影响,Fe/无序MAO/Fe-MTJs 中 Δ1 态的多数自旋电导随着面内 Al-Al 距离的增加而增加,导致 TMR 增大。此外,我们还发现,当 [001] 面上 Al、Mg 和空位的数量之比为 2:1:1 时,TMR 趋于大,这表明 Al 原子位置的控制对于提高无序 MAO 的 MTJ 中的 TMR 至关重要。本文揭示了材料信息学结合第一性原理输运计算在基于 MTJs 的高性能自旋电子器件设计中的有效性和优越性。         原文 S. Ju, et al. Machine learning analysis of tunnel magnetoresistance of […]

QuantumATK中的Python编程开发环境

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Python开发平台和计算流程自动化 兼容 Python 3 的完整运行环境,包含丰富的第三方模块,支持脚本建模、计算设置、结果分析和可视化。 Python 脚本编程将全部计算功能结合在一起,可以更好的协同工作,用户也可以将计算任务自定义和自动化。 aktpython 是 Python 3.6 版本的解释器,内置大量配置好的 python 模块,支持交互式运行或批量执行命令。QuantumATK 的输入文件就是python的脚本,其所使用的除了 python 原生的命令之外,还包括了QuantumATK 的 python 函数,支持: 生成结构 定义分子、块体、表面、器件结构 定义布拉维格子 构建纳米线、纳米管、石墨烯片层等特殊结构 使用 python 命令重复 NanoLab 建模工具的操作 设置模拟步骤 设置 QuantumATK DFT-LCAO、DFT、PlaneWave、SemiEmpirical、ForceField 等计算引擎的模拟步骤 设置多种计算引擎组合的多步骤 在分子动力学模拟前后增加预处理和分析,调整 MD 模拟算法 后处理分析 自动化分析并作图 获取 QuantumATK 的内部数据进行特别分析 分析步骤批处理 不同模拟分析方法组合 QuantumATK 提供超过 400 个类型和函数供用户使用,详见列表。 所有变量都带有物理单位,QuantumATK 支持在不同单位间便捷的换算 单位:nm, Ang, Bohr, Meter, […]

QuantumATK中的计算脚本和作业管理工具

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概述 计算项目管理 文件按项目归类存放 在计算机之间、用户之间方便的共享计算项目 总览项目全部数据或只关注部分数据,将不同项目数据文件合并 脚本编辑器 搜索-替换功能 语法高亮显示 Python 语言自动补全 自定义字体 作业管理器 在本机或远程服务器上提交串行或(多线程或多进程)并行计算 本机模式:串行、多线程并行、多进程并行 远程模式 Torque、PBS、SLURM、LSF 队列系统、无队列系统直接提交 其他队列系统可以通过插件添加 自动上传输入文件、下载输出文件 仅需要安全的 ssh 访问,无需服务器端的守护进程 内置 SSH 密钥生成工具,自动上传公钥 诊断工具检测服务器设置是否正确 Python 脚本语言,直接和图形界面结合 可以交互式使用 Parallel scheduler 包含PyQt4 包含PyMatGen  

材料电子态性质研究工具

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概述 QuantumATK可以使用 DFT-LCAO、DFT-PlaneWave 和 SemiEmpirical 等工具进行实空间或者k空间的电子态结构分析。 基本电子态 能带结构 用户通过选择高对称点自定义布里渊区路径 投影能带(Fat Bandstructure):可以在任意原子、壳层、轨道、原子组合上投影 有效能带(Effective Bandstructure):将合金或其他超胞的能带的布里渊区进行展开 分子能级谱 分子的单电子能谱 还包括周期体系的 Gamma 点的分子能级谱 态密度(DOS) 使用四面体方法或者高斯展宽方法计算 投影态密度(PDOS):在任意原子、壳层、轨道、原子组合上计算投影 局域态密度LDOS以及在一个方向的投影,DOS在实空间的投影和一维化 实空间三维网格量(可以用 Python 语言操作、计算任意点的) 电子密度 有效势 全Hartree势和差别Hartree势 交换关联势 全静电势或差别静电势 分子轨道 电子局域函数(ELF) Bloch 函数,带有相位信息的复数波函数 电荷布居 Mulliken 电荷布居分析原子、键和轨道的电荷 Bader电荷分析 电子态总能 包含熵的贡献 高级分析计算工具 电极化和压电张量 采用 Berry 相位法计算 计算Born有效电荷 可选内部离子弛豫 有效质量分析(有限差分法或微扰理论) 二阶微扰方法或解析张量 有效能带(能带展开)工具 构造随机合金的超胞,并计算体系的电子台 将能带对应波函数展开投影到相应的单胞,得到有效能带 Born有效电荷 费米面 对全布里渊区k点采样,计算能带并进行三维费米面作图 […]

非平衡态格林函数方法计算引擎

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概述 非平衡态格林函数(NEGF)方法,是研究具有开放边界条件的双端半无限电极电极模型的有力工具,现已经成为在原子尺度上模拟器件体系电子输运性质的标准工具。该方法将 DFT-LCAO 或 SemiEmpirical方法与 NEGF 方法结合进行自洽计算,得到器件体系在非平衡态(非零偏压)下的电子态,并由此得到电子在器件散射区的透射概率谱,进而分析电子输运性质。 NEGF方法研究双电极体系 非平衡态格林函数(NEGF)描述散射区电子分布,包括与两个半无限电极(源漏电极)的自能耦合 开放边界条件(Dirichlet/Dirichlet)允许在源漏之间施加有限偏压,并计算伏安特性(IV 曲线) 包括电极电子态混入器件区域对电子密度和矩阵元的贡献 对开放体系使用电子自由能取代总能 可以处理两端不同的电极(允许研究孤立的界面,例如金属-半导体界面、p-n 结) 可以添加静电栅极,研究晶体管特性 NEGF 方法研究单表面体系 NEGF 方法描述表面层,包含与单个半无限基底耦合的自能项(不使用近似的 slab 模型,对表面的描述更接近物理实质) 无限基底和表面上方的真空分别使用合适的边界条件,可以进行表面非零偏压的计算 计算性能和稳定性选项 非平衡态(有限电压)下的散射态方法快速求算 Contour 积分 O(N) 格林函数计算和稀疏矩阵描述中心区域 双、单半圆 contour 积分方法以获得有限偏压下的最大的稳定性 Ozaki contour 积分方法,包含深能级 稀疏自能矩阵方法,节约内存 可选择将自能临时或者永久保存在硬盘(而不是RAM),供其他计算使用 自适应(非常规)k点积分计算透射系数 最小电极概念 电极缩减到最小重复单元,计算自能时自动重复 节约电极计算时间O(N3) 应用 电子输运与器件性能仿真工具 材料表面的建模和模拟工具 材料界面的建模和模拟工具 参考 QuantumATK中的NEGF方法技术细节(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  

 
  • 锰掺杂卤化铅钙钛矿:能量转移机制还是电荷转移机制?(ACS Energy Lett. 2021)Mn掺杂的铅卤化铅钙钛矿的掺杂发光寿命长,主体激子量子产率高。沙特阿拉伯国王大学Edoardo Mosconi课题组与意大利技术研究院Filippo De Angelis课题组等,通过对APbX3钙钛矿(X=Cl,Br,I)的DFT计算,研究了Mn掺杂钙钛矿敏化掺杂发光过程中,能量和电荷转移的争议问题。 作者定量地模拟了Mn掺杂钙钛矿在不同电荷和自旋状态下的电子结构,将Mn敏化作为钙钛矿组分的函数,对结构/机理进行了分析。该分析的结果,同时支持能量转移机制和电荷转移机制。后者可能更适合于Mn:CsPbCl3,因为它具有较小的能量势垒,并规避了自旋和轨道方面的限制。在电荷转移的情况下,决定掺杂发光量子产率的一个重要因素是中间氧化物种的能量,而带隙共振可以很好地解释能量转移。这两个方面由钙钛矿主体的带边能量控制,而这又可以被卤化物X所调制。 参考文献: Damiano Ricciarelli Daniele Meggiolaro [...]
  • 基于COSMO的气体在聚合物离子液体中溶解度的预测模型(Green Energy & Environment 2021)气体在聚合物中的溶解度在加工先进高分子材料中起着重要的作用,聚合物离子液体(PILs)是一类重要的、尚未开发的聚合物。北京化工大学雷志刚教授课题组,最近在Green Energy & Environment的论文中,将不同的COSMO-RS参数与AMS软件COSMO-RS模块中的聚合物功能相结合,预测气体在标准聚合物和PIL中的溶解度。对于常规聚合物,标准COSMO-RS参数化性能最好,而对于PIL中的CO2溶解度,离子液体参数(ADF Lei 2018,见下文)的预测最为准确。 下图为COSMO-RS (ADF 2018 Lei) [...]
  • 采用理论模拟、在线光电离质谱和热重-DSC-红外-质谱揭示N-脒基脲二硝酰胺盐的热解机理(Combustion and Flame 2021)N-脒基脲二硝酰胺盐(GUDN)由于高能量和低感度受到了研究者的关注。含能材料的热分解动力学行为研究对其实际应用具有重要的作用。然而,在实验技术上确认反应活性中间体仍然是有待解决的问题。本文作者通过ReaxFF反应分子动力学联合在线光电离质谱和热重-DSC-红外-质谱阐明了GUDN的热分解机理,构建了GUDN热分解网络。结果表明:GUDN热分解的主产物包括CO2、N2、H2N2和NH3,少量产物包括H2O和HN2,产物NO2,NO和CO仅参与初始生成和中间体转化反应。本研究可为探索热动力学参数和进一步建立点火模型提供一定的理论基础。 此项研究中分子动力学模拟在AMS(Amsterdam Modeling Suite,原ADF)软件ReaxFF模块中完成。 参考 原文:Liping Jiang Xiaolong Fu Xuezhong [...]
  • 二维半金属FeX2(X=Cl,Br,I)铁磁体的本征自旋动力学性质摘要 具有本征半金属性的超薄二维铁磁体在纳米自旋电子学器件设计中具有很好的应用前景。在这项工作中,作者利用密度泛函理论(DFT)系统地研究了一类有前途的二维铁磁体单层二卤化铁(FeX2,X=Cl,Br,I)的自旋输运和动力学性质。全部计算使用QuantumATK 完成,作者充分使用了 DFT 的 LCAO 基组、平面波基组方法,并在不同方法之间进行了对比。分析计算则包括自旋分辨能带、二维费米面、自旋极化的电子输运(DFT-NEGF)、声子计算、磁各向异性、Gibert Damping(Kambersky torque-torque关联模型)。 首先,作者使用非平衡格林函数(NEGF)与 [...]