QuantumATK独有的新功能:考虑电声耦合效应能够准确和高效的计算电阻率和迁移率的新方法

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Synopsys QuantumWise公司与丹麦科技大学的研究组使用QuantumATK软件发表了一篇Phys. Rev. B文章[1]。文章介绍了一种  MD-Landauer 的新方法,将格林函数输运计算和分子动力学模拟结合,准确、高效的考虑 电声耦合(EPC)效应 的影响下的电阻率和迁移率。电声耦合效应在大部分电子器件中扮演着至关重要的作用。在各种体系(如硅和金纳米线,硅和金块体,碳纳米管和石墨烯,见图表1)中,MD-Landauer方法都得到了实验结果和使用目前流行的玻尔兹曼输运方程(BTE)方法计算的验证[2]。迁移率和电阻率的计算半定量的与BTE方法计算和实验结果一致,变化趋势完全重现。这表明 MD-Landauer 方法在考虑大体系和复杂体系(如非晶,缺陷和替位)的电声耦合效应中可以代替BTE方法。全尺度密度泛函电声耦合计算已成为可实现的方法,并且MD-Landauer方法在计算时间上更为合理。   Fig.1.MD-Landauer方法的图解: 1. 体系在Maxwell-Boltzmann分布的随机初始速度和目标温度下用分子动力学平衡一系列(10-50)MD轨迹,得到该温度下的一组结构;2. 使用ATK-DFT-NEGF方法对所有得到的结构进行电子透射计算,并将透射函数进行平均得到目标温度下的透射;3. 温度相关的电阻率由得到;4. 进一步由电阻率和态密度可以得到迁移率。   相关资源 Synopsys QuantumWise公司根据此文制作了金块体电阻率计算的案例。在网站上您可以找到关于 计算透射/电阻率 和 评估迁移率(使用BTE方法)的教程。其中所涉及的如硅和金纳米线和块体,碳纳米管和石墨烯都可以使用VNL图形用户界面进行建模和结构优化。 QuantumATK在处理电声耦合效应方面更高效的方法文章也已经发表,主要介绍特殊热位移(STD)-Landauer方法(STD-Landauer)以及其在超大尺度硅器件中的应用[3]。 MD-Landauer和STD-Landauer两种方法都已经由Synopsys QuantumWise公司在International Workshop on Computational Nanotechnology会议上发布。   参考文献 [1] T. Markussen, M. Palsgaard, D. Stradi, T. Gunst, M. Brandbyge and K. Stokbro, “Electron-phonon scattering from Green’s function transport combined with molecular dynamics: Applications to mobility […]

VNL-ATK 2017新版发布

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QuantumWise已于7月1日正式发布了VNL-ATK 2017版,新版引入了多种新的计算方法和大量的性能优化。   更新概要 大幅改进电声耦合计算性能 新的“special thermal displacement”近似方法,高效描述声子辅助隧穿 新增两种计算精确带隙的方法 改进默认参数设置 创新性的Wigner-Seitz方法加速大超胞的动态矩阵计算 输出文件改为HDF5格式 新增多种酷炫的2D、3D作图选项 变晶胞NEB过渡态搜索(模拟相变) 连接Materials Projects和COD数据库(或自建数据库) 完整的投影能带和DOS License信息 已经获得2017之后版本授权的用户,直接下载安装即可使用; 最后版本为2016与之前的版本的用户,欢迎联系我们(sales@fermitech.com.cn)付费升级事宜; 欢迎各位新老用户联系我们(sales@fermitech.com.cn)获取最新版的试用许可。 本次更新详情 电声耦合计算 显著降低内存消耗(稀疏矩阵存储) 典型测试显示内存需求从800GB降为1.3GB 计算迁移率的新方法:常数弛豫时间方法(与BoltzTraP代码类似) 弛豫时间可以由实验确定,也可以从动态矩阵计算并在能量/k点取平均 对于电极材料重复形成的器件(长的纳米线、纳米管、二维片层)体系,非弹性电流计算速度提高100000倍,因为仅计算电极的动态矩阵和哈密顿量导数 将所有声子模式在能量范围内分组求和(近似),提速10-100倍 突破性进展 ATK2017引入了一种全新的特殊热位移(special thermal displacement;STD)近似,来考虑声子散射对IV曲线的影响。 STD-Landauer方法详见(PRB文章已发表),这种方法将全电子-声子耦合计算减少为中间区域的动态矩阵(LOE/XLOE计算所必须的)和每个偏压(温度)下的一个器件计算。基本思想是根据全部声子的正则系综平均生成单个的原子位移组合,即可包含所有的温度效应。 文章演示了这种方法是如何高效的研究声子对硅p-n结电流、硅块体和纳米线的迁移率的影响随温度变化的效应(图)。 总体性能改进 费米面以上能带数现自动设置 提速约2倍;过去版本可以手动设置,但多数用户都未注意到这个选项 新的自能存储选项 NoStorage(大大减少大体系的内存占用,但是每次重新计算) SaveInMemory(快速,但耗内存) StoreOnDisk(快速,不消耗内存,但消耗硬盘空间) 中间区域不同,但是电极相同时,重复使用自能计算结果 SparseGreenFunction改进 使用可以减少大洁面体系的内存消耗 尤其对于有限偏压时,每个能量(k)点使用多进程可以大大减少每个MPI进程的内存 No performance overhead anymore for the distributed Pulay mixer […]

QuantumATK应用文章:第一原理方法计算电子-声子耦合和电子迁移率

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Synopsys QuantumWise和DTU Nanotech联合发表了题为“第一原理方法计算电子-声子耦合和电子迁移率:在二维材料中的应用”的文章(Phys. Rev. B 93, 035414 (2016))。 文章摘要 “我们采用密度泛函理论计算了n-型单层石墨烯、硅烯和MoS2的声子限制的电子迁移率。包括电子-声子耦合在内的材料的性质都采用第一原理完成。我们详细叙述了归一化的全能带弛豫时间近似与线性的玻尔兹曼方程(BTE)的方法来描述非弹性散射过程。块体电子-声子耦合采用超胞方法计算。这是一种完全的数值方法,因此不需要任何解析方法来处理问题,尤其是可以保留电声耦合和能带的各向异性信息。进一步计算可以得到低场的迁移率及其对载流子浓度和温度的依赖关系,加深对石墨烯、硅烯和单层MoS2材料的电子输运性质的理解。与石墨烯不同,硅烯中的载流子与面外振动模式相互作用很强。我们发现在硅烯面外振动模式的影响被限制接近于零(由于基底的影响,原子固定等类似情况)的情况下,石墨烯中的迁移率比硅烯仍然高出不止一个数量级。而当硅烯的面外振动模式没有限制时,硅烯中的迁移率基本为零。对于MoS2,我们得到的迁移率数值比石墨烯中低几个数量级,这与最近的其他理论计算吻合。模拟结果表明了新实现的基于第一原理和局域基组的BTE方法和模拟可以很好的预测材料的输运性质。” 相关实例教程 迁移率: 使用QuantumATK可以方便的研究: 由DFT方法计算电子布洛赫态和能量、声子模式和能量以及电子-声子耦合等信息使用玻尔兹曼输运方程计算电子迁移率 计算声子态、分析畸变势、电声耦合(右图),并在此基础上计算温度对迁移率的影响 使用大规模MPI并行可以大大减少计算时间   教程链接 更多QuantumATK在半导体材料研究的应用详见【这里】。  

新兴的低维电子材料研究

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概述 常规半导体材料在摩尔定律规定下逐渐走向极限,要进一步提升器件性能一般可以有三种途径: 采用新型器件结构加强栅控性能,如Gate All-Around(GAA)或FD-SOI; 采用新型原理的器件,如 Tunneling FET(TFET); 采用新型材料代替硅半导体,例如石墨烯引领的二维电子材料和以纳米管和纳米线为代表的一维材料。 在研究低维材料中,我们重点关注: 带隙大小的模拟以及物理和化学方法调控带隙; 电输运性质,主要是载流子迁移率; 电子材料-金属接触的电学性质; 构造器件的可能性以及器件性能仿真; 材料的稳定性。 QuantumATK在以上几个方面都提供了完备的计算模拟研究工具,并在最近几年产生了大量高水准的研究成果。 研究实例 二维材料的带隙模拟与调控 垂直平面电场打开狄拉克二维材料带隙:Ni, Z. et al. Nano Lett. 12, 113–118 (2012). 化学修饰:Song, Z. et al. NPG Asia Mater. 6, e147 (2014); 应力/应变调控带隙 Banerjee, L., Mukhopadhyay, A., Sengupta, A. & Rahaman, H.. J. Comput. Electron. 15, 919–930 (2016). 二维材料的载流子性质 全第一原理电声耦合方法模拟三种二维材料的载流子迁移率; 参见:QuantumATK应用文章:第一原理方法计算电子-声子耦合和电子迁移率 […]

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 […]