QuantumATK：材料界面的建模和模拟

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概述

块体材料的研究已经非常成熟，因此材料的表面与界面的重要性就格外的凸显出来。新型材料越来越复杂，不同材料组成的异质界面成为许多功能器件的基础，最常见的一个例子是半导体领域里的含有高k介电材料的多层门电极堆叠。由于界面层往往很薄，其中的缺陷起着十分重要的作用，这需要在原子级别上描述结构，才能充分考虑杂质、空位等对性质的影响；同时，只有进行基于量子力学的计算模拟，才能计算例如肖特基势垒和漏电流等。在原子级别上对材料表面和界面进行量子力学的模拟正是 QuantumATK 最为擅长的领域。

 

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 模型来描述界面体系，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、表面与界面之间存在相互影响；
  • 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。

双电极界面（Two-probe interface）模型与性质计算

采用双电极界面模型模拟材料界面，比Slab模型更加便捷，可以避免Slab模型的上述问题。此外，双电极模型还可以更好的研究：

  • 异质结的电流-电压特性，例如：
    • 漏电流
    • 金属-半导体界面的肖特基势垒
  • 磁性隧道结的自旋输运
  • 缺陷（杂质和空位）对输运性质的影响；
  • 界面上的电荷转移

使用QuantumATK研究界面体系的优势

通用、高效的计算引擎

QuantumATK 计算基于第一性原理，因此可以用于研究全新材料的各种性质，例如：
  • 传统金属-半导体界面
  • 高k介电材料
  • 金属、半导体纳米线
  • 纳米管、金属纳米管接触
  • 原子簇
  • 等等
QuantumATK 中使用局域基组展开方法，尤其适用于研究局域化缺陷（杂质、空位等），ATK-DFT计算引擎可以计算千原子级别的体系的性质。ATK-SemiEmpirical 则可以计算更大的体系。

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