【QuantumATK亮点文章】二维半金属FeX2(X=Cl,Br,I)铁磁体的本征自旋动力学性质

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摘要 具有本征半金属性的超薄二维铁磁体在纳米自旋电子学器件设计中具有很好的应用前景。在这项工作中,作者利用密度泛函理论(DFT)系统地研究了一类有前途的二维铁磁体单层二卤化铁(FeX2,X=Cl,Br,I)的自旋输运和动力学性质。全部计算使用QuantumATK 完成,作者充分使用了 DFT 的 LCAO 基组、平面波基组方法,并在不同方法之间进行了对比。分析计算则包括自旋分辨能带、二维费米面、自旋极化的电子输运(DFT-NEGF)、声子计算、磁各向异性、Gibert Damping(Kambersky torque-torque关联模型)。 首先,作者使用非平衡格林函数(NEGF)与 DFT 结合方法,研究了 FeX2 单分子膜的自旋输运性质。研究显示了体系固有的半金属性和较大自旋带隙,在较宽费米窗口(>1ev)上可以产生 100% 的自旋极化。 在此基础上,作者深入研究了它们的磁各向异性、Gilbert 阻尼和交换相互作用,这是控制自旋动力学的关键。作者的模拟方法包括使用 force theorem 来确定磁各向异性,采用 Kambersky 的转矩-转矩关联模型确定 Gilbert 阻尼。计算结果揭示了这些材料中相当大的垂直各向异性(0.04到0.25 mJ/m2)以及相对较低的 Gilbert 阻尼(7.9×10−5 到 3.7×10−4)。 作者在计算模拟结果的基础上,利用自旋极化格林函数理论,探讨了这些材料中的有效交换相互作用,并研究了它们的自旋波刚度(spin-wave stiffness)、交换刚度常数(exchange stiffness constant)和居里温度(Curie temperature)。所有这些计算都提供了这些 2D FeX2 铁磁体作为下一代自旋电子学应用材料的重要性依据。   参考 原文:Ram Krishna Ghosh, Ashna Jose, and Geetu Kumari. Intrinsic spin-dynamical properties of two-dimensional half-metallic FeX2 […]

【QuantumATK亮点文章】基于BiFeO3的无机光伏电池:自发极化、晶格匹配、光极化及其与光伏性能的关系

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摘要 无机钙钛矿铁电氧化物具有比有机-无机杂化型钙钛矿化合物更稳定的特点。然而,基于这些材料的太阳能电池能量转换效率并不高。本文作者通过构建基于铁酸铋的一系列太阳能电池,采用密度泛函结合非平衡格林函数的方法,研究了铁电自发极化、铁酸铋与电极材料的晶格匹配以及极化光等三种因素对太阳能电池光伏性能的影响。结果表明:(1)相比于铁电自发极化,铁酸铋的带隙对光电流的影响更大;(2)在钛酸锶材料作为电极的情况下,铁酸铋中的特定离子与之接触,会使电池的光电流达到更大值;(3)偏振方向垂直于自发极化方向的偏振光作为光源,会使光电流增大。上述研究结果有助于更深一步理解基于铁酸铋太阳能电池的效率问题。 此项研究使用 QuantumATK 构造了典型的界面、器件体系并使用DFT-NEGF方法计算了光电流。 参考 Chao He, et al. Inorganic photovoltaic cells based on BiFeO3: spontaneous polarization, lattice matching, light polarization and their relationship with photovoltaic performance. Phys. Chem. Chem. Phys., 2020,22, 8658-8666. 应用解决方案:光伏材料的模拟与仿真 界面超胞构建的方法:NanoLab在材料界面的最优超胞建模中的应用 界面模型与计算:材料界面的建模和模拟  

【QuantumATK亮点文章】探索钙钛矿光伏电池性能的微观与宏观途径

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概述 此项研究使用两种计算方法来研究混合钙钛矿型锡基光伏太阳能电池。第一种方法基于微观的原子级别电子输运性质计算,结合了密度泛函理论和非平衡格林函数理论。作者对透射谱和态密度的模拟结果表明,由于电子态的离域化,从 MASnI3 到 MASnBr3 的输运带隙减小,表现出较大的电子输运能力。第二种方法是基于器件尺度的漂移扩散方法的模拟,发现钙钛矿-锡基混合光伏电池的参数明显依赖于钙钛矿吸收层的厚度。表面复合速度在 1~10 cm/s 和 102~103 cm/s 范围内,MASnIBr2 和 MASnBr3 的效率分别达到 16.07% 和 12.52%,可以提高太阳能电池的性能。 研究中使用 QuantumATK 直接构造了如下的器件模型,这在QuantumATK的图形用户界面中可以十分方便的快速完成。 研究中采用了QuantumATK中最为成熟的DFT-NEGF方法计算了上述系列器件的伏安特性、能带排列等性质。 作者还采用免费软件 SCAPS-1D 对真实尺寸的器件性能进行了研究,比如性能对吸光层厚度的依赖等。在对多层体系的能带排列进行研究时,QuantumATK提供了更方便的工具,并可以将结果与器件尺度的研究耦合起来: 双端电极界面模型可以免除Slab模型的偶极校正等烦恼 PLDOS计算模块直接得到多层体系的能带排列 快速的杂化泛函方法(HSE06-LCAO)研究更大的体系 参考 光伏材料的计算模拟与器件仿真 使用QuantumATK进行多尺度模拟:界面处能带收窄导致CZTS太阳能电池开路电压损失 材料界面的建模和模拟 原文:Physica B: Physics of Condensed Matter 591 (2020) 412247. 立即试用 QuantumATK! 下载QuantumATK软件安装包 申请QuantumATK的全功能试用许可  

【QuantumATK亮点文章】机器学习方法分析无序MgAl2O4结构形成的磁性隧道结的隧道磁电阻

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摘要 此项研究通过贝叶斯优化和最小绝对收缩选择算子(LASSO)技术结合第一性原理计算,探索了 Fe/无序MgAl2O4(MAO)/Fe(001)磁性隧道结(MTJ)的隧道磁电阻(TMR)效应。通过对 1728 个候选结构进行贝叶斯优化,得到了 TMR 最大的最优结构,在 300 次结构计算中达到收敛。对所得结构的表征表明,两个铝原子之间的面内距离在决定 TMR 方面起着重要作用。由于无序 MAO 的 Al-Al 距离对复数能带结构的虚部有显著影响,Fe/无序MAO/Fe-MTJs 中 Δ1 态的多数自旋电导随着面内 Al-Al 距离的增加而增加,导致 TMR 增大。此外,我们还发现,当 [001] 面上 Al、Mg 和空位的数量之比为 2:1:1 时,TMR 趋于大,这表明 Al 原子位置的控制对于提高无序 MAO 的 MTJ 中的 TMR 至关重要。本文揭示了材料信息学结合第一性原理输运计算在基于 MTJs 的高性能自旋电子器件设计中的有效性和优越性。         原文 S. Ju, et al. Machine learning analysis of tunnel magnetoresistance of […]

光伏材料的计算模拟与器件仿真

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概述 光伏材料与器件是实现太阳光能直接转化为电能的一种重要途径,更广泛的光电转换材料与器件则可以应用于光信号传感器等领域。基于半导体材料构造的异质结构是这类材料应用的关键,一般来说影响光电转换效率的因素有:材料吸光能力、电子空穴对分离效率、载流子迁移效率。使用 QuantumATK 可以方便的研究: 多层结构建模高级的多层结构界面建模工具,支持直接构建任意层数的多层结构,控制每层的取向等复杂体系的结构优化和动力学对超大体系使用机器学习力场(MTP)进行优化机器学习模型支持对缺陷、界面和无定形结构进行训练半导体材料的准确带隙和光吸收 包含超快的HSE06杂化泛函方法和快速的k空间采样方法,可以轻松计算千原子体系 半导体材料的载流子有效质量和迁移率 采用完整的电声耦合方法 半导体材料的点缺陷直观、智能的点缺陷建模工具计算点缺陷的形成能和缺陷捕获能级自动化的缺陷扩散动力学研究工具半导体异质结构的能带排列 采用独特的界面模型直接计算,不必考虑真空能级校正等复杂处理 异质结器件的光生电流和开路电压 直接得到光电流谱和太阳光照下的电流密度可以直接考虑光电转换过程中的温度效应 应用案例 实例1:探索钙钛矿锡基光伏太阳能电池性能的非平衡格林函数与宏观途径 此项研究使用两种计算方法来研究混合钙钛矿型锡基光伏太阳能电池。第一种方法基于电子输运性质计算,结合了密度泛函理论和非平衡格林函数理论。作者研究了透射谱和态密度。结果表明,由于电子态的离域化,从 MASnI3 到 MASnBr3 的输运带隙减小,表现出较大的电子输运能力。第二种方法是基于漂移扩散方法模拟,发现钙钛矿-锡基混合光伏电池的参数明显依赖于钙钛矿吸收层的厚度。表面复合速度在 1~10 cm/s 和 102~103 cm/s 范围内,MASnIBr2 和 MASnBr3 的效率分别达到 16.07% 和 12.52%,可以提高太阳能电池的性能。 详见: 探索钙钛矿锡基光伏太阳能电池性能的非平衡格林函数与宏观途径Physica B: Condensed Matter, Elsevier BV, 2020, 591, 412247  实例2:二维材料的结构电子态模拟 论文作者对实验上得到的多层结构进行了模拟,得到了与实验一致的结果。文中使用DFT-D2范德华力泛函(注:QuantumATK最新版现已支持DFT-D3)对结构进行了优化,用GGA进行了结合能的计算,使用MetaGGA进行了精确带隙的计算。作为比较,又使用HSE06杂化泛函的DOS计算。注:新版的QuantumATK中LCAO基组已经支持HSE06杂化泛函,并能够进行超快的电子态计算。 详见: 用石墨烯包裹实现二维氮化镓(Nature Materials, 2016)超快速的HSE杂化泛函计算半导体准确带隙 实例3:机器学习研究钙钛矿光伏材料的稳定性和带隙 钙钛矿的成分调控让人们能够精确控制其在光伏应用所需的材料性能。然而,同时解决效率、稳定性和毒性仍然是很大的挑战。混合的无铅钙钛矿和无机钙钛矿最近显示出了解决此类问题的潜力,不过它们的组分空间巨大,即使采用高通量方法也很难发现有希望的候选结构。此项研究通过使用由密度泛函理论生成的344个钙钛矿的新数据库,使用与元素无关的通用指纹信息的机器学习方法可以快速而准确地预测关键属性。使用验证子集预测的带隙、形成能、和凸包距离分别在146 meV、15 meV/atom 和 11 meV/atom 内。得到的模型可以用于预测完全不同的化学组分空间中的趋势,并进行快速的组成和结构空间采样,而无需进行昂贵的从头算模拟。 详见: […]

【QuantumATK亮点文章】热输运计算与机器学习耦合设计热功能材料

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本文报道的研究采用了材料信息学(MI)方法(即结合了材料性能计算/测量和信息学算法)实现了热功能材料纳米结构的特性的计算优化,这是基于物理直觉和模型的经验方法难以获得的。此研究以一个超晶格结构的优化问题为例,介绍将热输运计算和机器学习相结合的 MI 的基础知识和技术程序,总结了描述符、目标函数、特性计算工具、机器学习(Bayesian optimization)算法和优化效率的细节,并成功地应用于热电材料和热辐射材料的设计。 在过去的几十年里,各种热输运的计算和实验技术在纳米尺度上得到了发展。一般来说,这类知识都是基于四个维度(时间和空间的三个维度)的热传输物理模型,也是人类更容易理解的。然而,在识别复杂的结构-性能关系时,尺寸可能成为制约因素。另一方面,使用黑箱模型的机器学习在处理大量维度的超空间方面有优势,并且在预测复杂的结构-属性关系方面可能更为优越,唯一的不足可能是它可能无法直接帮助人类理解基本物理问题。随着机器学习和数据挖掘方法的进步,研究人员现在能够从计算或实验数据中构建一个黑盒模型,识别或预测显示出所需特性的纳米结构或材料。因此,它为发现、设计甚至理解新材料提供了巨大的机会。 这种 MI 方法有四个基本要素:目标函数、描述符选择、评估目标函数的性质计算工具和信息学优化方法。文章通过设计超晶格基本结构框架对结构进行了数字化得到了多种结构描述符,采用 QuantumATK 中包含的格林函数方法和 Tersoff 经验力场方法结合计算的体系的导热系数作为优化目标函数,并据此设计了 Bayesian optimization 的流程。作者在文中比较了不同优化方法和不同的结构描述符的优劣,并进一步将导热的优化流程延伸应用于优化石墨烯纳米带的热电品质因数(热电优值)。       原文链接 J. Appl. Phys. 128, 161102 (2020),https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0017042。  

【QuantumATK亮点文章】第五主族二维衍生物BiN的电子性质与输运特性的理论研究

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摘要 在当今后摩尔时代下,器件芯片的高性能、低功耗特性对于物联网、人工智能和 5G 等关键领域而言将变得至关重要。然而,随着摩尔定律的发展,传统晶体管的节点推进和尺寸缩小的趋势逐渐放缓,难度也逐渐增大。因此,技术创新是后摩尔时代微电子器件实现多样化发展的关键,特别是晶体管的沟道材料。最近,新兴的二维半导体材料受到了研究者们的广泛关注,其凭借着传统半导体不具备的超薄的厚度、自然钝化的表面、良好的栅控能力、高的迁移率等优异性质,在下一代微纳电子器件的发展进程中发挥了关键作用。 近日,南京理工大学张胜利教授团队基于有效质量差异性设计了高性能、低功耗亚 10 纳米二维 BiN 晶体管,结合第一性原理和非平衡格林函数理论,探索了有效质量、态密度、开态电流、亚阈值摆幅等性质受能带散射程度的影响,揭示了二维 BiN 晶体管在窄沟道器件应用上的潜力,为开发新一代二维微电子器件提供了新的思路。相关研究成果以“Designing sub-10-nm Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors via Ballistic Transport and Disparate Effective Mass: The Case of Two-Dimensional BiN”为题发表于应用物理类期刊《Physical Review Applied》,博士生周文瀚为第一作者。 参考文献 H. Zhou, S. L. Zhang, S. Y. Guo, Y. Y. Wang, J. Lu, X. Ming, Z. Li, H. Z. Qu, H. B. Zeng, “Designing sub-10-nm […]

【QuantumATK亮点文章】机器学习研究钙钛矿材料的稳定性和带隙

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文章摘要 钙钛矿的成分调控让人们能够精确控制其在光伏应用所需的材料性能。然而,同时解决效率、稳定性和毒性仍然是很大的挑战。混合的无铅钙钛矿和无机钙钛矿最近显示出了解决此类问题的潜力,不过它们的组分空间巨大,即使采用高通量方法也很难发现有希望的候选结构。此项研究通过使用由密度泛函理论生成的344个钙钛矿的新数据库,使用与元素无关的通用指纹信息的机器学习方法可以快速而准确地预测关键属性。使用验证子集预测的带隙、形成能、和凸包距离分别在146 meV、15 meV/atom 和 11 meV/atom 内。得到的模型可以用于预测完全不同的化学组分空间中的趋势,并进行快速的组成和结构空间采样,而无需进行昂贵的从头算模拟。 QuantumATK中的计算自动化功能 本文中提及的研究全部采用QuantumATK完成。QuantumATK包含了完整的Python 3基础环境与科学计算模块支持,还包含众多自主开发的结构生成、计算方法和性质分析模块,可以直接设计自动化的计算流程: 结构模型:使用 Python 脚本操作结构、设计结构模板、批量生成结构;在图形化界面的 Builder 中也可以使用 Python 命令操纵结构。参考:https://docs.quantumatk.com/guides/builder/builder_console_guide.html 计算设置:使用 Python 脚本自动化完成批量结构的计算;图形界面也可以直接设置计算脚本模板: https://docs.quantumatk.com/guides/scripter/templates/templates.html 性质分析与汇总:图形用户界面新增报告生成工具,直接汇总计算结果得到统计和对比图。 参考 Jared C. Stanley, Felix Mayr, and Alessio Gagliardi. Machine Learning Stability and Bandgaps of Lead-Free Perovskites for Photovoltaics. Adv. Theory Simul. 2019, 1900178 QuantumATK脚本编程手册:https://docs.quantumatk.com/manual/NLRefMan.html 立即试用 QuantumATK! 下载QuantumATK软件安装包 申请QuantumATK的全功能试用许可  

【QuantumATK亮点文章】磁性存储材料研发中磁各向异性能(MAE)模拟

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概述 作为欧盟 COSMICS 研究项目的一部分,QuantumATK 团队与来自 SPEC CEA、巴黎萨克雷大学的科学家共同发表了一篇关于Fe、Co 和 Ni 片层的磁晶各向异性能(MAE)模拟的论文[1]。这项工作表明,利用 QuantumATK 进行模拟可以有效的研究控制MAE 的参数,例如这些材料(如块体,片层,表面或界面)的厚度和晶向。由于 MAE 的可调性通常是磁性材料的一种理想功能,因此建模是研究工作流程中设计具有最佳磁性特性的材料的重要组成部分。例如,诸如磁性随机存取存储器(MRAM)的新型存储器体系结构依赖于具有优化的 MAE 属性的材料来存储和保留信息。较大的 MAE 在给定的磁性状态下提供了良好的保持特性,即在一定时间内存储了磁化方向,而在二进制写入过程中,需要较低的 MAE 来随意切换磁化方向。 使用 QuantumATK 模拟 MAE 的优势 QuantumATK 是唯一包含基于赝势的密度泛函理论(DFT)方法、LCAO 和平面波基组的程序。这使得计算过程中可以从LCAO 无缝转换到平面波基组,从而轻松在 MAE 模拟过程中在速度和精度之间寻找最佳平衡,使用 LCAO 基组可以进行更大体系的模拟。 MAE(即不同磁化方向的能量差)在数值上是很小的。为了提供准确的结果,QuantumATK 有很好的参数默认值(例如 k点采样和每个电子的能带),当然也可以轻松调整这些参数。 此外,QuantumATK 提供了有效的数值方法,将 MAE 分解为异质体系(例如表面、界面或任何类型的缺陷)中局域贡献的加和。 QuantumATK 提供了用于设置和分析结果的高级图形用户界面(GUI),如图 2 和图 3 所示。高级的重新启动功能使用户可以更高效地执行 MAE 模拟,因为它可以重新运行 MAE 模拟,轻松包含新的磁化方向和投影,而无需重新计算任何已经得到的中间数据。 参考 L. Le Laurent, […]

【QuantumATK亮点文章】单分子反应的电场诱导选择性催化(Sci. Adv. 2019)

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引言 随着单分子电学检测技术的迅速发展,分子电子学的研究已不再局限于分子电子学器件的构筑及其电学性质的测量,而是扩展到单分子尺度化学反应过程的探索。单分子裂结技术能够直接观察单个分子的始态、终态和中间态,采用此技术并通过施加定向外部电场,有望实现对单个分子乃至单个化学反应的操纵和调控,从而在纳米尺度的反应器中实现对单个分子化学反应速率的选择性调控,为未来基于清洁能源的绿色化学合成提供了新思路。近日,厦门大学洪文晶教授、程俊教授和兰州大学张浩力教授在电场选择性调控特定化学键的反应速率研究方面取得重要突破。相关研究成果以“Electric-field-induced selective catalysis of single-molecule reaction”为题发表于Science Advances。 成果简介 针对这一挑战,该研究团队自主研发了高强度定向电场下研究化学反应速率的精密科学仪器技术,将单个有机分子定向地连接在两个原子级尺寸的电极之间,从而解决了化学反应中分子取向控制的问题。通过电极对单个分子施加了高达108-9 V/m的定向电场和对反应的分子计数,精确测量了两步连续反应中每步的反应速率。在纳米尺度反应器内中发现:若施加电场与反应轴垂直,电场对化学反应没有影响;如果电场在反应轴方向有分量,电场可以使反应速率提升超过一个数量级。通过单分子器件电输运模拟证实了化学反应路径的中间态;过渡态计算结果表明定向电场可以有效地稳定化学反应的过渡态,从而降低反应能垒。 这一跨学科合作,在国际上首创了利用定向外部电场选择性调控化学反应速率的仪器和技术,实现外加电场对化学反应的有效调控,提出了将外加电场作为智能催化剂创新思路,对基于清洁能源的绿色化学合成和化工清洁生产的发展具有重要意义。 参考文献 X. Huang, C. Tang, J. Li, L. C. Chen, J. Zheng, P. Zhang, J. Le, R. Li, X. Li, J. Liu, Y. Yang, J. Shi, Z. Chen, M. Bai, H. L. Zhang, H. Xia, J. Cheng, Z. Q. Tian and W. Hong. […]

 
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