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atk:使用optimizedeviceconfiguration_study_object弛豫器件结构

使用 OptimizeDeviceConfiguration 研究模块弛豫器件结构

版本:O-2018.06

本教程主要向您介绍 OptimizeDeviceConfiguration 研究模块。为合理优化 2 探针器件构型,我们建议采用 Bulk Rigid Relaxation(BRR)方法。但这可能是一个涉及到很多步骤的复杂任务。如本教程所示,OptimizeDeviceConfiguration 研究模块将 BRR 方法自动化,使得优化器件结构变得非常简单。

注意

在 O-2018.06 版本中引入了 OptimizeDeviceConfiguration 研究模块,是 QuantumATK 中执行器件几何优化的推荐方法。以前版本的用户仍然可以按照如 Advanced device relaxation - manual workflow 所述更复杂的手动流程执行计算。

介绍

原则上,复杂器件结构的弛豫可以手动完成,如在 Advanced device relaxation - manual workflow 教程中所展示的,但是手动 BRR 程序需要繁琐且耗时的工作。因此,我们建议您使用 OptimizeDeviceConfiguration 研究模块弛豫复杂的器件系统。研究模块允许完全自动的器件弛豫,包括自动识别应弛豫的中心区域原子。全自动过程如下所示,可以描述为:

1.确定完全弛豫的区域。这是通过首先确定中心区域的哪些部分是附近电极的周期性重复而自动发生的。然后左右周期图像之间的中间点就是应该完全优化区域的中心,且该区域由用户指定宽度。请注意,完全弛豫的区域不允许延伸到电极扩展部分。如果这样的话,该区域的边缘将自动移动到该电极扩展的边界。

2 + 3.执行块体刚性弛豫。器件构型被转换成一个块体构型(移除电极),晶胞的右端延伸为真空区域,以便在弛豫过程中使中心区域缩小或扩大。对左侧原子施加固定约束,右侧原子施加刚性约束,然后执行普通的几何优化(力最小化)。请参见教程 Advanced device relaxation - manual workflow 获取有关 BRR 方法的更多详细信息。

4.重新配置器件构型。去除真空区域并附加电极,获得最终几何优化的器件构型。

研究模块允许您为弛豫器件更改某些设置:

  • 您可以选择将中心区域的哪一部分进行完全弛豫,即可以指定弛豫区域的中心和宽度。
  • 除了电极及其扩展,弛豫区域可以延伸至整个器件。
  • 如果有需要,可以在步骤2和步骤3中对中央区域的左右表面进行氢钝化处理。
  • 也可以调整结构优化常用的力收敛准则。

我们将在此处演示如何利用 OptimizeDeviceConfiguration 研究模块完成 Ag(100)|| Au(111) 界面的几何优化。出于说明的目的,在 Ag | Au 界面处引入了较大的缺陷以增强几何优化的效果。

未弛豫的 Ag(100)|Ag(111) 器件

未弛豫且有缺陷的 Ag(100)|Ag(111) 器件可通过此脚本 ↓ unrelaxed.py 获得,请下载并在本教程中使用。

如教程 Building an interface between Ag(100) and Au(111) 所示,该器件采用 Interface Builder 构建。利用 Builder 删除原子引入了Ag | Au界面的缺陷。

重要

通常,器件应由弛豫(无应变)的材料构成,即电极应具有平衡构型(考虑到所采用的理论水平,如使用 PBE 交换关联函数的 DFT 或特定的力场)。

这可能至关重要,因为从理论上讲,材料的电子特性通常取决于构型。尤其是,电极弛豫可能会影响带隙和电极材料的有效质量,从而改变器件的 IV 特性。附录中给出了应变硅电极弛豫的说明示例。

OptimizeDeviceConfiguration 研究模块不会弛豫电极–作为用户,您有责任在运行器件构型优化前确保电极构型是合适的。

设置并运行器件结构优化

发送脚本 ↓ unrelaxed.py Script Generator

为加速计算,在这里您将使用 ATK-ForceField 引擎弛豫器件。在 Script Generator,添加 New Calculator 模块,双击打开。然后选择 ATK-ForceField 计算器和 EAM_Zhou_2004 力场。

接下来,点击 Study Objects OptimizeDeviceConfiguration,添加 OptimizeDeviceConfiguration 研究脚本模块。

我们将使用 A) 默认设置和 B) 自定义优化区域运行器件构型优化。

A)默认设置

双击打开 OptimizeDeviceConfiguration 模块。原则上,不需要更改任何设置。如下所示,优化区域的默认宽度为 10 Å,不勾选 Optimization region center,因此如上文所述自动确定中心。

保持其他设置为默认值,关闭窗口,修改输出结果文件名称为 Ag100-Au111-default.hdf5,保存 Python 脚本为 Ag100-Au111-default.py。您也可以在此处下载最终脚本:↓ Ag100-Au111-default.py

注意

默认情况下是勾选 Passivate left electrode 和 Passivate rigth electrode 的,这意味着 OptimizeDeviceConfiguration 研究模块将尝试在中心区域块体弛豫期间(即“介绍”中概括方法中的步骤2 + 3) )将氢钝化应用于左右表面。

这可能与半导体材料有关,但对诸如 Ag(100)|Ag(111) 界面等金属系统没有影响。

B)自定义优化区域

再次打开 Optimize Device Configuration 窗口。出于演示的目的,您现在将指定一个不包含 Ag | Au 界面的优化区域。因此将不会弛豫界面周围的原子。

勾选 Optimization region center,然后设置中心位置为 10 Å,此距离是从左侧电极的右端开始测量的。将优化区域的长度保持在 10 Å,因此只弛豫离中心 ± 5 Å 范围内的原子。

请注意,由于左电极扩展 8.17 Å,大于 5,所以指定的最优化区域延伸到电极扩展。因为 NEGF 方法要求电极扩展与电极相同,故不会弛豫重叠区域。

最后,关闭窗口,更改输出结果文件的名称为 Ag100-Au111-option.hdf5,保存 Python 脚本为 Ag100-Au111-option.py。您也可以在此处下载最终脚本:↓ Ag100-Au111-option.py

运行计算

利用 Job Manager 或从终端运行两个 ATK Python 脚本:

atkpython Ag100-Au111-default.py > Ag100-Au111-default.log

器件构型优化将需要几秒钟执行。

弛豫器件结构

NanoLab LabFloor 现在应该显示两个保存的 HDF5 输出数据文件的内容。如果没有,点击左侧 Project Files 列表的输出文件。每个文件都包含了 OptimizeDeviceConfiguration 数据块和优化的 DeviceConfiguration

利用 Viewer 查看优化的器件。您可以将未弛豫的器件构型从 Builder 发送到 Viewer 以做比较。

下图对比了案例 A 结构优化前后的器件构型(默认设置,Ag100-Au111-default.hdf5)。您可以清楚地观察到结构弛豫的效果。这里还显示了左右电极的周期性重复,以及全原子弛豫 10 Å 宽的区域。

下图比较了案例 A(默认设置)和案例 B(自定义优化区域)的优化器件。显然 B 例中,我们在优化区域上做了非常不好的选择:只发生了少量的弛豫,且 Ag | Au 界面周围的区域完全没有弛豫。有两个原因:

  1. 优化区域中心设置得太靠近左侧电极;
  2. 优化区域长度没有覆盖具有缺陷的界面区域。

Text Representation 为我们提供了用于 OptimizeDeviceConfiguration 研究模块的设置的信息,以及结果总结。使用它的方法是,在 LabFloor 上选择一个或多个 OptimizeDeviceConfiguration 数据块,然后单击右侧插件栏的 Text Representation 工具。

案例 A (项目:0)和案例B(项目:1)的文本表示报告如下所示。

# Item:  0
# File:  C:\ATK\OptimizeDeviceConfiguration\Ag100-Au111-default.hdf5
# Title: Ag100-Au111-default.hdf5 - optimizedeviceconfiguration
# Type:  OptimizeDeviceConfiguration
+------------------------------------------------------------------------------+
| Optimize Device Configuration Report                                         |
+------------------------------------------------------------------------------+
| Device configuration:                                                        |
+------------------------------------------------------------------------------+
| Central region (including electrode extensions):                             |
|     Length (before optimization): 54.97 Ang                                  |
|     Length (after optimization): 54.67 Ang                                   |
|     Number of atoms: 135                                                     |
| Electrode extensions:                                                        |
|     Length (left): 8.17 Ang                                                  |
|     Length (right): 7.06 Ang                                                 |
|     Number of atoms (left): 20                                               |
|     Number of atoms (right): 18                                              |
+------------------------------------------------------------------------------+
| Optimization details:                                                        |
+------------------------------------------------------------------------------+
| Optimization region:                                                         |
|     Length: 10.00 Ang                                                        |
|     Left edge position: 24.15 Ang                                            |
|     Right edge position: 34.15 Ang                                           |
|     Number of atoms: 21                                                      |
| Constrained regions:                                                         |
|     Length (left): 24.15 Ang                                                 |
|     Length (right): 20.82 Ang                                                |
|     Number of atoms (left): 60                                               |
|     Number of atoms (right): 54                                              |
+------------------------------------------------------------------------------+
 
# Item:  1
# File:  C:\ATK\OptimizeDeviceConfiguration\Ag100-Au111-option.hdf5
# Title: Ag100-Au111-option.hdf5 - optimizedeviceconfiguration_option
# Type:  OptimizeDeviceConfiguration
+------------------------------------------------------------------------------+
| Optimize Device Configuration Report                                         |
+------------------------------------------------------------------------------+
| Device configuration:                                                        |
+------------------------------------------------------------------------------+
| Central region (including electrode extensions):                             |
|     Length (before optimization): 54.97 Ang                                  |
|     Length (after optimization): 54.97 Ang                                   |
|     Number of atoms: 135                                                     |
| Electrode extensions:                                                        |
|     Length (left): 8.17 Ang                                                  |
|     Length (right): 7.06 Ang                                                 |
|     Number of atoms (left): 20                                               |
|     Number of atoms (right): 18                                              |
+------------------------------------------------------------------------------+
| Optimization details:                                                        |
+------------------------------------------------------------------------------+
| Optimization region:                                                         |
|     Length: 6.83 Ang                                                         |
|     Left edge position: 8.17 Ang                                             |
|     Right edge position: 15.00 Ang                                           |
|     Number of atoms: 15                                                      |
| Constrained regions:                                                         |
|     Length (left): 8.17 Ang                                                  |
|     Length (right): 39.97 Ang                                                |
|     Number of atoms (left): 20                                               |
|     Number of atoms (right): 100                                             |
+------------------------------------------------------------------------------+

项目 0

对于案例 A,您可以在文本表示看到以下信息:

  • 中心区域包含 135 个原子,并且最初沿传输方向长度为 54.97 Å,在弛豫过程中略微减小至 54.67 Å。
  • 左(右)电极扩展长度为 8.17 Å(7.06 Å),每个包含 20(18)个原子。
  • 优化区域的长度为 10 Å,优化区域左侧(右侧)边缘的位置为 24.15 Å(34.15 Å),通向 21 个完全弛豫的原子。
  • 器件在弛豫期间受约束的左右两部分长度为 24.15 Å 和 20.82 Å,分别包含 60 和 54 个原子。

项目 1

案例 B,我们观察到

  1. 优化区域的长度只有 6.83 Å,因为避免弛豫电极扩展已自动减小了该区域。
  2. 优化区域的右边缘在 15 Å,因此不会弛豫Ag | Au界面。
  3. 因此仅在包含像银块体的区域中进行全原子的弛豫,实际上很少发生弛豫。这也表明,在结构优化过程中,中心区域的长度完全没有变化。

结论

使用 OptimizeDeviceConfiguration 研究模块时,可以通过手动设置区域的中心和宽度来完全控制全原子弛豫的区域。但是,仔细检查结果很重要。

或者,您可以选择让弛豫区域在整个器件上延伸,或者只是坚持默认 10 Å 的宽度并自动检测区域中心。

总之,OptimizeDeviceConfiguration 研究模块有三种主要操作模式:

  • 使用默认的优化区域设置(10 Å 的宽度和自动检测区域中心)。
  • 手动指定优化区域中心和宽度。
  • 通过增加优化区域的宽度使其超过中心区域的总长度来弛豫所有中心区域的原子(电极延伸部分除外)。

附录

如上文所述,为避免应力或应变对电子性能的影响,器件通常应由弛豫的材料构建。如果在构造器件之前,不对初始材料进行弛豫,那么器件的结构优化将通过沿运输方向人为地拉紧器件的各个部分来弥补。

我们在这里展示了一个应变对半导体电极电子结构影响的示例。下图显示了Si(100)电极的能带结构,其在与(100)结晶方向一致的 c 轴上有 ± 1% 的应变。通过仔细观察,可以看到导带和价带能发生了轻微的偏移。

下图显示了沿 C 轴(右图)方向上拉伸 Si(100) 电极时,DFT-PBE 价带最大值(VBM)和导带最小值(CBM)的变化,以及硅基带隙是如何因此变化(左图)的。

参考

atk/使用optimizedeviceconfiguration_study_object弛豫器件结构.txt · 最后更改: 2019/11/26 22:01 由 xie.congwei

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