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atk:原子尺度的电容

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atk:原子尺度的电容 [2018/10/25 22:18] – [静电能量分析] xie.congweiatk:原子尺度的电容 [2019/06/29 15:52] (当前版本) – [原子尺度的电容] dong.dong
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 ^ {{ :atk:capacitor-20181025.png?200 }}  ^ {{ :atk:ppcap4-20181025.gif?250 }}  ^ ^ {{ :atk:capacitor-20181025.png?200 }}  ^ {{ :atk:ppcap4-20181025.gif?250 }}  ^
 +
 +<WRAP center info 100%>
 +=== 提示 ===
 +**本教程使用特定版本的QuantumATK创建，因此涉及的截图和脚本参数可能与您实际使用的版本略有区别，请在学习时务必注意。**
 +  * 不同版本的QuantumATK的py脚本可能不兼容；
 +  * 较新的版本输出的数据文件默认为hdf5；
 +  * 老版本的数据文件为nc文件，可以被新版本读取。
 +</WRAP>
  
 <WRAP center todo 100%> <WRAP center todo 100%>
行 201: 行 209:
  
 ===== 偏压依赖的电容 ===== ===== 偏压依赖的电容 =====
 +
 +以上的分析概述是基于电容与电压**无关**的假设。然而，并非总是如此。更高级的样条曲线拟合允许您研究电容依赖偏压的系统。
 +
 +如果您已经在上一部分运行过 ''mulliken-analysis.py'' 和 ''v-e-plot.py''，您现在可以下载并运行脚本 [[https://docs.quantumwise.com/_downloads/v-c-plot.py|↓ v-c-plot.py]] 执行拟合。
 +
 +<WRAP center important 100%>
 +=== 注意 ===
 +那两个脚本保存的数据可用来加速当前脚本分析。
 +</WRAP>
 +
 +计算获得的电容随偏压变化关系如下。正如所料，在本例中电容随偏压变化很小。
 +
 +{{ :atk:au_vacuumgap_cv-20181025.png?600 |}}
 +
 +<WRAP center todo 100%>
 +=== 关注 ===
 +当前示例仅使用了非常少的数据点来说明该方法。通常，您应该采用多于5个数据点以得到准确的分析。
 +</WRAP>
  
 ===== 绝缘垫片材料 ===== ===== 绝缘垫片材料 =====
 +
 +真空间隙中的电场非常强（在1 V偏压下超过900*10<sup>6</sup> V / m），可以立即导致器件被击穿放电。用介电材料代替电容器板之间的真空间隙可以部分解决这个问题。
 +
 +在 QuantumATK 中有两种不同的方式可以实现：
 +
 +  - 数字列表项目插入介电材料，明确地形成两个金属-半导体-金属的界面。
 +  - 数字列表项目采用低级且不太严谨的方法，即您只需要修改两个金界面间区域的介电常数。
 +
 +出于演示的目的，我们在此选择第二种方法。实际上有两种不同的方法可以修改介电常数：
 +
 +  * 隐式溶剂法：通过修改泊松求解器中的设置，将不为1的介电常数分配给真空区域。
 +  * 空间区域：使用 QuantumATK Builder 在表面间放置介电空间区域。
 +
 +<WRAP center important 100%>
 +=== 注意 ===
 +在这两种情况下都很有必要使用 ''Multigrid'' 泊松求解器，但你仍然可以沿 A 和 B 方向上设置周期性的边界条件。
 +</WRAP>
  
 ==== 隐式溶剂法 ==== ==== 隐式溶剂法 ====
  
 +按照静电能量分析法计算电容的步骤操作，但修改 **Poisson solver** 为 ''Multigrid''。请这样做：
 +
 +  - 复制脚本 ''au_vacuumgap.py'' 为 ''au_dielectricgap.py''。
 +  - 将新脚本发送到 Editor {{:atk:editor.png?direct&25|}}，找到定义泊松求解器的语句。将其更改为
 +
 +<code python>  
 +#----------------------------------------
 +# Poisson Solver Settings
 +#----------------------------------------
 +device_poisson_solver = MultigridSolver(
 +    boundary_conditions=[[PeriodicBoundaryCondition,PeriodicBoundaryCondition],
 +    [PeriodicBoundaryCondition,PeriodicBoundaryCondition],
 +    [DirichletBoundaryCondition,DirichletBoundaryCondition]],
 +    solvent_dielectric_constant=10.0
 +)
 +</code>
 +
 +3.将整个脚本的输出文件名更改为 ''au_dielectricgap.nc''，运行脚本。
 +
 +4.调整静电能量分析法的分析脚本，将 ''au_dielectricgap.py'' 作为输入文件，运行脚本。
 +
 +重复模拟和分析，您会发现电容增加了大约7倍。您可以清楚地看到下图红色圆圈所表示的电场预期内的不连续性。
 +
 +{{ :atk:au_dielectrica_implicit_induced-20181025.png?600 |}}
 ==== 介质的空间区域 ==== ==== 介质的空间区域 ====
 +
 +尝试用介质空间区域做相同的模拟，在 Builder 中用 Miscellaneous {{:atk:arrow.png?direct&5|}} Spatial Regions 工具在表面放置一个相对介电常数为 10 的框：
 +
 +{{ :atk:dielectric_region-20181025.png?600 |}}
 +
 +<WRAP center important 100%>
 +=== 注意 ===
 +介电区域是矩形框，而当前 fcc [111] 面的单胞为六边形。要解决这个不匹配的问题，就要确保矩形框在 AB 平面足够长，延伸至单胞之外。超出晶胞的部分在计算过程中可以被切除。
 +</WRAP>
 +
 +将新的结构发送到 Script Generator {{:atk:script_generator.png?direct&25|}}，然后重复所有的步骤。或者只需要在 Editor {{:atk:editor.png?direct&25|}}中发开结构，复制/粘贴已有脚本中的相关部分，修改输出文件名称。
 +
 +结果如下所示，电介质区域的位置由灰色阴影表示。
 +
 +{{ :atk:au_dielectric_region_induced-20181025.png?600 |}}
  
  
 ==== 比较 ==== ==== 比较 ====
  
 +在两种电介质的情况下，获得的电容为 2.7-3.8 zF，具体取决于选用的计算方法。差异主要源于：对于空间区域方法，您需要明确选择空间区域与表面的距离。这是由隐式溶剂方法隐含自动决定的，因为介电常数设置为 1 以尽可能接近每个原子核，鬼原子亦如此。
  
-===== 参考 =====+<WRAP center important 100%> 
 +=== 注意 === 
 +  * 静电能量分析中使用的脚本是独立的和通用的。在适当地修改文件名称后，它们也可用于分析其他系统。
  
 +  * 考虑到结构变化，Mulliken 电荷分析中使用的脚本在用于其他系统前需要先进行修改。
 + 
 +  * 这些方法仅适用于通过器件的电流非常小的情况。例如，传输极其小（它是一个电容器 - 而不是二极管！）。对于，您可以验证这个较大真空间隙的传输是否非常小，大约为 10<sup>-23</sup>。
 +</WRAP>
 +
 +
 +<WRAP center tip 100%>
 +=== 提示 ===
 +**下一步？**
 +纳米级电容器的另一个有趣的例子是可一次形成的 [[https://docs.quantumwise.com/tutorials/cnt_junctions/cnt_junctions.html#cnt-junctions|Carbon Nanotube Junction]]。
 +</WRAP>
 +
 +===== 参考 =====
  
 +  * 英文原文：[[https://docs.quantumwise.com/tutorials/atomic-scale_capacitance/atomic-scale_capacitance.html|https://docs.quantumwise.com/tutorials/atomic-scale_capacitance/atomic-scale_capacitance.html]]
  
  
atk/原子尺度的电容.1540477116.txt.gz · 最后更改: 2018/10/25 22:18 由 xie.congwei

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