QuantumATK独有的新功能:非平衡态格林函数方法研究半无限表面模型

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概述 QuantumATK从最新版本开始引入了一个全新的、独一无二的半无限表面模型。与非平衡态格林函数方法配合,半无限表面模型可以比表面slab模型更完善的模拟表面体系。描述此方法的文章已经在Phys. Rev. B 96,195309 上发表(预印文章参见:https://arxiv.org/abs/1707.02141)。 模型 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模型来描述表面体系,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; 两个表面之间可能相互影响; 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。 单电极表面(One-probe surface)模型(或半无限表面模型) 为此,QuantumATK 基于 DFT 和格林函数方法方法开发了真正可以模拟半无限表面体系的模型,即将一个表面 Slab 模型耦合于半无限的块体结构上(见下图)。 这种模型有以下几个独特的优势: 算法复杂度降低,特别适合大体系计算; 表面性质对表面层数的依赖显著降低; 只需很少的层数就可以再现块体的电子态; 可以正确的施加垂直表面方向的电场,模拟电场对表面体系的影响。 应用 文章报道了半无限表面模型的原理和应用,这些应用实例展示了半无限表面模型和格林函数方法的精确性,也证实了这个模型在表面体系研究中比传统模型具有明显的优势。 计算过渡金属的功函数 计算贵金属和拓扑绝缘体的表面态 Ge(001)|Si薄膜半导体异质结构的能带对齐 电场对碘在Pt(111)上吸附的影响   NanoLab高级图形用户界面:专注于研究,更快获得结果 NanoLab 图形用户界面丰富易用的功能可以让用户专注于研究项目的科学问题,专心思考科学问题,更快的发现新材料、创建新结构,避免在数据的导入、导出、处理、作图等琐碎的问题上浪费时间。NanoLab 可以: 最强大的材料表面结构建模工具 直观的选择表面方向和表面超胞 最合理的表面结构优化方法 快速构建各种结构模型 内嵌晶体结构数据库 搜索在线晶体结构数据 应用领域 与QuantumATK中的结构优化、能量计算、CI-NEB过渡态搜索等功能结合,这种模型还在表面化学、催化等领域有广泛的潜在应用。 表面功函数 表面态 表面反应过渡态与催化 拓扑绝缘体 相关的实例教程 表面结构与吸附 表面分子吸附体系建模:中文教程、英文教程 硅表面重构研究:中文教程、英文教程 CO在Pd(100)表面的吸附:英文教程 […]

QuantumATK在电池/储能材料中的应用

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概述 可循环充放电池是当前电动汽车等电子、电气领域使用最广泛的的电池。通过计算模拟的手段可以预测并有效指导相关电池电极材料的实验研究,提升电池储能密度和寿命。 使用 QuantumATK 可以研究: 正极材料 构建晶体结构,支持从Materials Project和COD数据库中导入结构模型 研究离子占据和空位的能量和密度,预测电池电压 负极材料 离子插层和离子化过程 估计材料的体积膨胀和结构稳定性 离子迁移 计算离子迁移率,可以考虑在电场情况下的离子迁移 估算材料的离子电阻 聚合物材料模拟 模拟线性和交联聚合物体系以及原子在其中的扩散 详见:聚合物体系的模拟方法与应用 材料界面 研究界面电子特性(能带结构、态密度)和离子特性(离子迁移) 研究无机-无机材料界面、无机-聚合物界面性质 新型电池的机理 新的正极材料和机理 研究实例1:磷酸铁锂中的锂离子扩散过程 磷酸铁锂(LiFePO4)是常用的电极材料。锂电池材料涉及复杂的材料结构、电子态性质和离子动力学过程。在 NanoLab 中,通过构建LiFePO4电极的结构,可以构造锂离子在其中扩散的路径,并使用 NEB 方法优化扩散路径。 NanoLab 中提供的工具还可以使用简谐过渡态理论(Harmonic Transition State Theory)求算扩散速率,详见实例教程。 实例教程:电池用磷酸铁锂(LiFePO4)材料中锂离子的扩散 研究实例2:锂电池材料的界面结构和电子态性质 研究者也可以使用界面研究工具方便的构建并研究界面的几何结构、电子态性质,详见实例教程。文章【J. Phys. Chem. C 2015, 119, 18066−18073】研究了Li2O2、Li2CO3及其界面处的电子导电和离子空位的影响;离子迁移的能垒;极化子输运的能垒。 相关文章:Vegge, T., Hummelshøj, J. S., Jin, C., Mekonnen, Y. S. & Garcia-Lastra, […]

QuantumATK在电子材料与器件中的应用

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概述 微电子学是当今对我们的日常生活有着重要影响的技术,尤其是在通讯、计算、消费电子、健康、运输、环境和安全领域。为确保高性能、高能效电子器件的发展,工业界开始着眼于可能部分替代传统硅晶体管的III-V族化合物、新兴二维电子材料等体系。而要高效寻找新型电子材料离不开原子级别的材料学计算模拟工具,这些工具在纳米电子领域的广泛应用节约了大量的开发成本和实现市场化的时间。 随着半导体器件特征尺度的小到纳米级别,对相关材料与器件进行基于量子力学的原子级别模拟显得越来越重要。这为传统的基于量子力学的材料模拟方法提出了很多的挑战,QuantumATK从建模工具、计算方法、分析工具等完整的模拟平台入手,致力于解决这些问题,为半导体器件的模拟提供有效、可靠、快捷的工具,特别双极器件模型的引入可以直接研究诸如pn结等复杂异质结构的各种性质。 QuantumATK 提供的模型和工具 电子态  计算半导体材料的能带、态密度、电子密度、电势等 使用HSE06、MetaGGA、DFT-1/2、PPS等多种泛函得到半导体的精确带隙 详见:材料电子态性质研究工具 光学与光谱性质 计算带隙材料的介电函数(实部和虚部)谱,得到光吸收谱、折射率谱等 详见:材料光学和光谱性质的计算模拟 化合物半导体合金 使用有效能带模型或SQS模型研究合金半导体 载流子性质 分析载流子的有效质量张量 载流子迁移率。计算电子态、声子态以及完全的电声耦合矩阵,得到载流子的迁移率、霍尔系数、塞贝克系数等输运性质,以及输运性质受温度的影响 详见:材料载流子与导电性质计算模拟工具。 多层堆叠和能带排列 材料界面模型。直接创建半导体/氧化物/金属等材料界面模型或多层堆叠结构,采用更高效的方法对界面处进行有效的优化。 肖特基势垒。方便的进行金属-半导体接触界面建模,分析耗尽层的电势,直接得到肖特基势垒的形状;直接计算PLDOS得到能带弯曲情况,深入分析半导体-金属接触部分的电学特性。 能带排列。直接对界面等复杂体系进行局域投影态密度(PLDOS)的计算,可以十分方便的作出不同区域的能带情况,研究指定位置的态密度。 Sentaurus Materials Worksbench 半导体材料模拟工具套件,可以用于多种复杂模型的计算模拟与仿真,例如:  点缺陷性质:形成能与扩散动力学 以第一原理计算为准对半经验能带模型(有效质量模型、k.p模型等)的参数进行校正 从第一原理结果中提取能带示意图 金属晶界电子散射和电阻率计算 详见:Sentaurus Materials Workbench简介。 在原子水平上对电子器件进行仿真 QuantumATK中成熟的双电极器件模型(Two-probe device model)和非平衡态格林函数方法(Non-Equilibrium Green’s Fucntion, NEGF)是研究器件在偏压下的电子输运性质的有力工具。在双电极器件模型的基础上,QuantumATK还可以使用高级的静电势模型,在器件区域增加具有指定介电常数的绝缘区域和具有特定电压的金属区域,用于模拟FET器件的转移特性,并分析开关比、亚阈值斜率、DIBL等等。 详细介绍参见: 非平衡态格林函数方法与电子输运计算引擎 电子器件性能仿真工具 研究实例文章 第一原理方法计算电子-声子耦合和电子迁移率 Tue Gunst, et al. First-principles method for electron-phonon coupling and […]