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在电池材料模拟与设计中的应用

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概述 QuantumATK 包含 DFT、DFTB、ForceField 等尺度级别的原子级材料模拟方法和大量材料学模型构建和性质分析模块,特别适合分析如电池材料等复杂材料体系的性质。QuantumATK 在研究电池材料方面有如下功能特点: 材料模型与数据库 晶体、缺陷、表面、界面等建模工具 支持从 Materials Project 和 COD 数据库中导入结构模型 材料数据库私有云框架,可以自建材料数据库 复杂材料模型 随机合金、空位、缺陷、表面、界面、纳米粒子等材料模型 聚合物材料模型,可以构建和研究线性和交联聚合物材料 超大体系与电解质等复杂体系 支持 MTP 机器学习力场,包含完整的力场训练、验证和使用的程序框架 用于常见电解质的新型键合力场,可以定制电荷和进行原子类型分配 在 GUI 中方便地调用键合力场,还可以将键合力场和常规力场结合使用 图形用户界面提供力场编辑工具,可编辑力场所有项,方便的设置部分电荷,模拟静电相互作用 从分子动力学得到振动光谱,理解分子间的相互作用和液相溶剂化 高效率高精度的第一性原理计算 密度泛函理论(DFT)可以研究数千原子体系 对更接近实际尺寸的模型进行第一原理计算计算 使用杂化泛函,包括 HSE06、PBE0、B3LYP、B3LYP5,更精确的计算电子结构,结合能和扩散势垒 与平面波基组相比,使用 LCAO 基组可将速度提高 100 倍,从而实现高效的大规模模拟 更精确的模拟结合能,找到吸附位点 表面性质研究工具 独有的单电极表面模型 特别适合研究表面吸附,以及在电场情况下的表面物理化学性质 分子在表面吸附的高级建模工具 快速定位吸附位点,创建指定覆盖度的吸附模型 表面过程建模和热化学分析工具 用于模拟电极表面上的反应 界面性质研究工具 独有的双端无限界面模型 特别适合研究界面体系的结构、电子态、导电以及动力学性质 大规模固体电解质界面(SEI)模拟 使用力场计算可以研究复杂的界面结构和动力学  使用 QuantumATK 可以研究: 正极材料 […]

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 精选论文 参考内容 QuantumATK平台的“终极”参考文献正式发表 QuantumATK功能列表 新兴低维电子材料研究 光伏材料的计算模拟与器件仿真 立即试用 QuantumATK! 下载QuantumATK软件安装包 申请QuantumATK的全功能试用许可

 
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