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atk:分子器件模拟

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atk:分子器件模拟 [2017/03/05 17:30] – [投影局域态密度 （PLDOS）] dong.dongatk:分子器件模拟 [2021/12/16 11:23] (当前版本) – ↷ 链接因页面移动而自动修正 59.51.24.40
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 ====== 分子器件模拟 ====== ====== 分子器件模拟 ======
  
-本教程专注于分子器件的计算和分析。本教程中研究的经典器件由一个对苯二硫酚（DTB）与两个金电极表面构成，这个结构在很多文献里都有报道。+本教程专门介绍分子器件的计算和分析，研究的经典器件由一个对苯二硫酚（DTB）与两个金电极表面构成，这个结构在很多文献里都有报道。
  
-本教程中的计算时间很长，作为入门的ATK量子输运计算教程，请参考：+本教程中的计算时间很长，作为入门的QuantumATK量子输运计算教程，请参考：
   * [[atk:使用atk研究电子输运|]]   * [[atk:使用atk研究电子输运|]]
  
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   * [[atk:构建金-dtb-金分子结|]]   * [[atk:构建金-dtb-金分子结|]]
  
-本教程中使用的ATK-DFT方法参见ATK的使用手册。+本教程中使用的ATK-DFT方法参见QuantumATK的使用手册。
  
  
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 <WRAP center important 100%> <WRAP center important 100%>
 === 注意 === === 注意 ===
-这个几何结构未经优化。这对本教程中要讨论的概念没有影响，但对于实际研究中的计算，结构优化至关重要。要了解如何弛豫器件几何结构，请参见：+这个几何结构未经优化。这对本教程中要讨论的概念没有影响，但对于实际研究中的计算，结构优化至关重要。要了解如何弛豫器件几何结构，请参见：[[atk:如何弛豫器件体系的几何结构|]]。
  
 </WRAP> </WRAP>
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 <WRAP center info 100%> <WRAP center info 100%>
-并行计算可以大幅度提升计算速度，要了解如何并行计算，请参考：[[atk:atk并行计算|]]。+并行计算可以大幅度提升计算速度，要了解如何并行计算，请参考：[[atk:quantumatk并行计算]]。
 </WRAP> </WRAP>
  
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 要同时将结构显示在图上，只需要将 DeviceConfiguration 数据对象拖动到上面已经显示了本征态的Viewer窗口里。 要同时将结构显示在图上，只需要将 DeviceConfiguration 数据对象拖动到上面已经显示了本征态的Viewer窗口里。
  
-{{:atk:eigen13.png?200 |}}{{:atk:eigen14.png?200 |}} +<WRAP center box 100%> 
-{{:atk:eigen15.png?200 |}}{{:atk:eigen16.png?200 |}}+{{:atk:eigen13.png?400 |}}{{:atk:eigen14.png?400 |}} 
 +{{:atk:eigen15.png?400 |}}{{:atk:eigen16.png?400 |}} 
 +</WRAP> 
  
 注意到，所有的态都是关于苯分子平面反对称的，这说明这几个态都是苯分子的 $\pi$-轨道，由与平面垂直的碳原子 6 个 pz 轨道线性组合而成的，因此这样的 $\pi$-轨道共有 6 个。 注意到，所有的态都是关于苯分子平面反对称的，这说明这几个态都是苯分子的 $\pi$-轨道，由与平面垂直的碳原子 6 个 pz 轨道线性组合而成的，因此这样的 $\pi$-轨道共有 6 个。
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 <WRAP center info 100%> <WRAP center info 100%>
-前面两个能量处只有一个透射本征态主导，最后一个能量处则有两个主导的透射本征值。后面会讨论为什么他们没有加在一起给出总的透射谱 T(E)。+前面两个能量处只有一个透射本征态主导，最后一个能量处则有两个主导的透射本征值。后面会讨论为什么他们加在一起没有得到总的透射谱 T(E)。
 </WRAP> </WRAP>
  
行 214: 行 217:
 {{ :atk:eigenvalues1.png?600 |}} {{ :atk:eigenvalues1.png?600 |}}
  
-  * 选中第一个本征值，点击 Eigenstates 按钮。稍等片刻，第一个本征值对应的本征态就计算好了，Viewer 窗口自动弹出。适当调整 isovalue 数值，得到漂亮的图。+  * 选中第一个本征值，点击 Eigenstates 按钮。稍等片刻，对应的本征态就计算好了，Viewer 窗口自动弹出。适当调整 isovalue 数值，得到漂亮的图。
  
 {{ :atk:eigenstates.png?400 |}} {{ :atk:eigenstates.png?400 |}}
行 237: 行 240:
  
 ===== IV特性 ===== ===== IV特性 =====
 +
 +这一章，我们正式计算 Au-DTB-Au 分子器件的 伏安特性（IV曲线），并分析 1.6V 偏压处的器件特性。
  
 ==== 设置计算 ==== ==== 设置计算 ====
 +
 +打开一个新的 **Script Generator** 窗口，进行如下操作：
 +
 +  * 添加 Analysis from File 单元；
 +  * 添加 Analysis -> IVCurve 单元；
 +  * 将输出文件名改为 ''IV-curve.nc''。
 +
 +编辑 Analysis from File 单元：
 +
 +  * 设置 NetCDF 文件为 ''au-dtb-au.nc''，使用 //gID000// 从零偏压计算结果继续计算。
 +
 +编辑 IVCurve 单元：
 +  * 设置偏压扫面范围从 V0=-2V 到 V1=2V；
 +  * 设置电压点数为 11；
 +  * 设置能量范围为 (-3,3)；
 +  * 横向k点设置为 3×3；
 +  * 选择 Krylov 自能计算器（为了加快计算速度）。
 +
 +{{ :atk:iv_settings1.png?400 |}}
 +
 +脚本设置结束，将其保存为 ''iv-curve.py'' 并通过 Job Manager 或命令行执行。这个计算耗时比较久，因为对每个偏压点（本计算共 11 个偏压点）都要进行自洽计算并分析透射谱。使用 12 核并行时，计算耗时约6小时。
  
 ==== IV特性分析 ==== ==== IV特性分析 ====
  
-==== 1.6 V 时的PLDOS ====+计算结束后，文件夹里将出现 ''IV-curve.nc'' 文件，此外还有 11 个前缀为 ''ivcurve'' 的输出文件，它们保存了每个偏压点得自洽结果。 
 + 
 +{{ :atk:iv_labfloor1.png?600 |}} 
 + 
 +<WRAP center info 100%> 
 +===提示=== 
 +IVCurve数据对象除了保存了IV曲线的信息外，还保存了每个偏压点的透射谱信息。 
 +</WRAP> 
 + 
 +选中 IV-curve，点击右侧工具栏 **IV-Plot** 分析工具，I-V 曲线分析工具即弹出。 
 + 
 +勾选 //Additional plots//，将显示三个新增面板，分别是微分电导（dI/dV），透射谱，谱电流。 
 + 
 +<WRAP center box 100%> 
 +{{ :atk:iv_figures.png?600 |}} 
 +每条透射谱曲线都对应了一个偏压点。某一偏压下的能量窗口在透射谱曲线上用蓝色标识。用鼠标指向某一偏压点时（红色圆点），对应的透射谱和谱电流曲线将被点亮显示。 
 + 
 +</WRAP> 
 + 
 +<WRAP center important 100%> 
 +===注意=== 
 +要特别注意谱电流曲线：所有的对总电流的贡献都必须包含在能量窗口内，此时IV计算才是可靠的。如果实际情况并非如此，则需要使用更大的能量窗口重新进行IV计算。 
 +</WRAP> 
 + 
 +<WRAP center info 100%> 
 +dI/dV 在1.6V 处有峰，这是因为透射谱上的共振峰在这个偏压时开始进入偏压窗口。 
 +</WRAP> 
 + 
 + 
 + 
 +==== 1.6 V 偏压时的 PLDOS ==== 
 + 
 +要研究 偏压为 1.6 V 时分子器件的电子态性质，可以计算投影局域态密度（PLDOS），和零偏压下类似。 
 + 
 +  * 打开一个新的 **Script Generator** 窗口，添加两个单元： 
 +    * Analysis from file 
 +    * Analysis -> PorjectedLocalDensityOfStates 
 +  * 在 Analysis from file 单元里选择 ''ivcurve_selfconsistent_configuration_1.60000V.nc''； 
 +  * 在 PLDOS 分析单元里，将能量窗口 设为 -3 到 3 eV，设置 k 点为 3x3； 
 +  * 将输出文件名设置 为 ''pldos_1.6V.nc''，保存脚本为 ''pldos_1.6V.py''。 
 + 
 +运行脚本后，使用 **Projected Local Density of States** 工具显示结果，如下图。 
 + 
 +{{ :atk:pldos_1.6v.png?400 |}} 
 + 
 +和零偏压相比，-1.5 eV 处的共振分裂成了两个，分别位于 -0.8 和 -2 eV，这个现象在透射谱上也可以看到。此外，我们还可以注意到 -0.8 的峰接近右侧电极，-2.0 eV 处的峰接近左侧电极。这种分裂来源于分子区域的电势降落（有外加偏压时）。 
  
 ==== 计算电压降 ==== ==== 计算电压降 ====
  
 +现在我们来分析偏压 1.6 V 时的电压降和诱导电荷密度。首先我们计算 1.6 V 和 0 V 下的 ElectrostaticDifferencePotential 和 ElectronDifferenceDensity。
 +
 +  * 在 **Script Generator** 中，添加 三个计算单元：
 +    * Analysis from File
 +    * Analysis -> ElectrostaticDifferencePotential
 +    * Analysis -> ElectronDifferenceDensity
 +  * 在 Analysis from File 里设置 ''ivcurve_selfconsistent_configuration_1.60000V.nc''；
 +  * 将默认输出文件名改为 ''voltage_drop_16V.nc''；
 +  * 将脚本发送至 **Job Manager** 
 +
 +{{ :atk:voltage_drop_16v.png?600 |}}
 +
 +重复一次这个计算，但使用 0V 的自洽结果，保存文件为 ''voltage_drop_0V.nc''。
 +
 +为使用 1.6V 和 0V 的 ElectrostaticDifferencePotential 和 ElectronDifferenceDensity 结果计算电压降，我们使用右侧的GridOperations工具。
 +
 +  * 按住 ''ctrl'' 键同时选中 ''voltage_drop_16V'' 和 ''voltage_drop_0V'' 中的 $\delta V_E(\vec(r))$ 图标。
 +  * 点击打开 **GridOperations** 工具；
 +  * 设置函数为 A1 - B1；
 +  * 保存为 ''EDP.nc''。
 +
 +{{ :atk:edp.png?600 |}}
 +
 +重复上述步骤，计算电压诱导的电荷密度。
 +
 +{{ :atk:edd.png?600 |}}
 +
 +现在计算结果分别保存于 ''EDP.nc'' 和 ''EDD.nc''。要图示这两个结果：
 +
 +  * 选择 ''EDP.nc'' 文件，打开 **Viewer**；
 +  * 设置作图模式为 CutPlanes；
 +  * 将结构（DeviceConfiguration）拖动到此打开的窗口里；
 +  * 选择 ''EDD.nc'' 文件，也拖动到这个窗口里，使用默认的isosurface作图模式。
 +
 +在 Property 里详细调节图示的细节。
 +
 +{{ :atk:edp1.png?600 |}}
 +{{ :atk:edd1.png?600 |}}
 +
 +如果设置如上图，则得到下面的图：
 +
 +{{ :atk:voltage_drop.png?600 |}}
 +
 +将电压降进行一维作图通常比较有用：选中 EDP 中的 $f(x)$ 图标，点击右侧的 **1D Projector** 工具。投影方法改为 //Average//，点击 //Add Line//。
 +
 +{{ :atk:voltage_drop_1d.png?600 |}}
 +
 +此处的一维投影作图，C轴取值范围为 0 ~ 1，对应了真实的 z 方向长度。
 +
 +<WRAP center info 100%>
 +===说明===
 +两个图都显示了器件区域 1.6V 的电压降。很明显，电压降主要发生在分子附近，而不是电极区域。电压降对应了量子电阻。分子区域的电压降也解释了非零偏压下的共振峰的分裂。
 +</WRAP>
 +
 +===== 参考 =====
 +  * K. Stokbro, J. Taylor, M. Brandbyge, J.-L. Mozos, and P. Ordejón. Theoretical study of the nonlinear conductance of di-thiol benzene coupled to au(1 1 1) surfaces via thiol and thiolate bonds. Computational Materials Science, 27(1–2):151 – 160, 2003. doi:10.1016/S0927-0256(02)00439-1.
 +  * K.S. Thygesen and K.W. Jacobsen. Molecular transport calculations with wannier functions. Chemical Physics, 319(1–3):111 – 125, 2005. doi:10.1016/j.chemphys.2005.05.032.
 +  * 英文原文：http://docs.quantumwise.com/tutorials/molecular_device/molecular_device.html
  
  
atk/分子器件模拟.1488706215.txt.gz · 最后更改: 2017/03/05 17:30 由 dong.dong

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