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)
    • 新方法: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
      • 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
  • 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

应用案例集


软件实例教程


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