QuantumATK：磁性与自旋电子学模拟工具

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计算引擎特性

  • 机器学习力场（ML-MTPs）
    • 获得材料和器件中真实的界面结构（例如 MRAM 中磁性隧道结）
    • 进行能量计算
  • 密度泛函理论（DFT-LCAO 和 DFT-PlaneWave 引擎）
    • 可以使用全部支持的泛函，包括 超快的HSE杂化泛函、MetaGGA等为考虑带隙和能量准备的泛函
    • 可以进行自旋极化（共线）、自旋非共线计算，可以包含自旋-轨道耦合（SOC），支持DFT+U等模型
    • DFT-PlaneWave包含PAW势，更好的模拟重元素体系
  • DFT-LCAO 方法还可以和非平衡态格林函数（NEGF）结合，对器件（Device）模型进行计算模拟
    • 可以模拟器件的自旋极化（共线）、自旋非共线的输运性质计算

磁性和自旋输运特性分析

  • 电子态
    • 使用 DFT-LCAO 和 DFT-PlaneWave计算能带、态密度、电子密度、自旋密度、费米面等电子态
    • 能带和态密度可以直接选择在原子、轨道、基组、自旋等各种属性上进行投影，并直接作图
    • 直接计算 Local DOS 等，可以用于分析诸如表面态等的性质
    • 详见：材料电子态性质研究工具
  • 磁各向异性能量（MAE）
    • 使用功能强大的study object进行磁各向异性能量（magnetic anisotropy energy，MAE）的计算，支持中断时自动续算
    • 图形界面支持计算设置和分析，给定theta和phi角，投影（原子位、原子位和壳层、原子位和轨道）、能量窗口、每电子能带数、k点采样
    • MAE对坐标（x/y/z）作图，对给定的角度和投影
    • 详见：磁性存储材料研发中磁各向异性能（MAE）模拟
  • 海森堡交换分析（Heisenberg exchange analysis）
    • 使用格林函数方法计算 Heisenberg 自旋-晶格模型经验方法和模型的交换耦合常数的新方法
      • 在一个磁性结构计算中获得所有交换耦合参数（传统方法需要基于多个磁性结构的总能计算）
      • 设置需要分析耦合的原子非常方便
    • 计算分析海森堡交换耦合、交换刚度、居里温度等
    • 研究有限温度下的磁性，例如：磁性体系的相图、相变和磁化动力学
  • 自旋寿命
    • 计算在实际温度时，由电子-声子相互作用决定的自旋寿命（还与自旋-轨道耦合有关，Elliot-Yafet机理）；
  • 轨道磁矩
    • 分析原子轨道磁矩
  • 自旋动力学
    • 计算 Gilbert damping 张量（即可以考虑各向异性），得到的 Gilbert damping 常数可以用于 TCAD S-device 和其他工具，模拟微磁体系
    • 可以模拟晶体、合金、表面、界面的 Gilbert damping
    • 使用 Kambersky torque-torque correlation 模型
  • 集成 Vampire
    • Vampire是原子级磁性模拟代码，用于研究用于 MRAM 技术的磁隧道结中的自旋动力学和稳定性。用户可以研究 STT-MRAM、SOT-MRAM，开关时间、开关模式（相干、畴壁等）、温度依赖性、稳定性系数（几何形状和温度相关性）、Skyrmions、2D 磁性材料等（详见 Vampire 网站）
    • 可以使用QuantumATK中的 DFT 结果作为自旋动力学计算的输入，使用 MTP 力场快速得到精确的界面结构
    • 在图形用户界面中设置 DFT 到 Vampire 的计算流程，可以自动计算输入所需参数，如海森堡交换常数和磁各向异性能
    • 可以直接直接从 QuantumATK 中调用 Vampire 并开始计算，并可视化分析居里温度、磁滞回线、各向异性能等
    • 可以计算真实体系（5000+原子）的各种性质
  • 自旋输运
    • 计算有偏压存在时的自旋极化电流-电压特性
    • 计算如Fe/MgO/Fe类似结构的磁性隧道结（magnetic tunnel junctions，MTJ) 的隧穿磁阻
    • 计算 spin-transfer torque (STT) 与层内的交换耦合作用
    • 研究自旋输运（透射）的机理，可以对透射系数在 k 空间中进行分解并分析透射的本征通道
    • 考虑自旋轨道耦合、非共线自旋输运