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atk:器件体系的建模与计算

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atk:器件体系的建模与计算 [2015/05/29 23:32] – [深入分析结果] fermiatk:器件体系的建模与计算 [2018/03/20 18:35] (当前版本) – liu.jun
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 ====== 器件体系的建模与计算 ====== ====== 器件体系的建模与计算 ======
 ===== 简介 ===== ===== 简介 =====
-本文以氢分子放置在锂的单原子线中间的模型为例，介绍ATK最重要的功能--电子输运计算。本例中的模型非常简单，因此计算可以在很短的时间里完成。然而本例中包括的物理概念和效应对很多实际体系都是适用的。+本文以氢分子放置在锂的单原子线中间的模型为例，介绍QuantumATK最重要的功能--电子输运计算。本例中的模型非常简单，因此计算可以在很短的时间里完成。然而本例中包括的物理概念和效应对很多实际体系都是适用的。
  
 {{ :atk:input_device.png?500 |}} {{ :atk:input_device.png?500 |}}
  
-计算采用密度泛函理论（DFT）方法与非平衡态格林函数（NEGF）方法结合。更多关于计算的理论细节可以参考[[http://quantumwise.com/documents/manuals/latest/ReferenceManual|ATK的手册]]。+计算采用密度泛函理论（DFT）方法与非平衡态格林函数（NEGF）方法结合。更多关于计算的理论细节可以参考[[http://quantumwise.com/documents/manuals/latest/ReferenceManual|QuantumATK的手册]]。
  
 +<WRAP center tip 100%>
 +进一步了解如何进行完整、可靠的器件计算，请参考：[[atk:使用atk研究电子输运|使用QuantumATK研究电子输运]]。
 +</WRAP>
 +<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。**
 +</WRAP>
 ===== 用于输运计算的体系几何结构 ===== ===== 用于输运计算的体系几何结构 =====
 ==== 器件体系的基本结构 ==== ==== 器件体系的基本结构 ====
行 12: 行 19:
 用于器件计算的结构模型与普通的周期体系或非周期体系都不一样，而是两者的组合：两个周期体系部分分别代表左右电极（或者是晶体管的源、漏电极），中间的非周期部分是决定器件功能的关键部分，可以是一个分子、石墨烯、纳米管、多层结构等各种体系，这部分对于电子和空穴的透射起到了主要的散射作用。 用于器件计算的结构模型与普通的周期体系或非周期体系都不一样，而是两者的组合：两个周期体系部分分别代表左右电极（或者是晶体管的源、漏电极），中间的非周期部分是决定器件功能的关键部分，可以是一个分子、石墨烯、纳米管、多层结构等各种体系，这部分对于电子和空穴的透射起到了主要的散射作用。
 <WRAP center round tip 80%> <WRAP center round tip 80%>
-除了源、漏电极以外，ATK还支持增加门电极，可以模拟晶体管，具体设置方法可以参考相关的实例教程。+除了源、漏电极以外，QuantumATK还支持增加门电极，可以模拟晶体管，具体设置方法可以参考相关的实例教程。
 </WRAP> </WRAP>
  
-ATK中的器件模型由三个相邻的区域构成：左电极、右电极以及位于中间的中央区域（Central Region）。（如下图）+QuantumATK中的器件模型由三个相邻的区域构成：左电极、右电极以及位于中间的中央区域（Central Region）。（如下图）
  
 {{ :atk:twoprobe_algorithm.png?600 |}} {{ :atk:twoprobe_algorithm.png?600 |}}
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 由于电极部分是由周期性体系构成了，而中间区域是有有限的非周期体系构成的，因此它们连接的部分需要一个过渡区域。这部分是左右电极自然延伸而成的表面（Surfaces），分别与左右电极类似。但表面通常会有重构（原子排列不同于块体电极部分）。 由于电极部分是由周期性体系构成了，而中间区域是有有限的非周期体系构成的，因此它们连接的部分需要一个过渡区域。这部分是左右电极自然延伸而成的表面（Surfaces），分别与左右电极类似。但表面通常会有重构（原子排列不同于块体电极部分）。
  
-此外，为计算的稳定性考虑，ATK要求中央区域的两端最少有一个周期的电极体系延伸部分（electrode extensions），这部分原子排布与电极始终保持完全一致。+此外，为计算的稳定性考虑，QuantumATK要求中央区域的两端最少有一个周期的电极体系延伸部分（electrode extensions），这部分原子排布与电极始终保持完全一致。
  
 电极的延伸部分和表面部分构成了屏蔽区域（Screening Region），这部分存在的意义是在自洽计算的过程中让中间的“分子”结构平滑的过渡到两端的块体结构。 电极的延伸部分和表面部分构成了屏蔽区域（Screening Region），这部分存在的意义是在自洽计算的过程中让中间的“分子”结构平滑的过渡到两端的块体结构。
  
 <WRAP center round info 80%> <WRAP center round info 80%>
-  * 这里提到的ATK处理输运的方法是弹性弹道散射，散射来自于表面和分子部分，但是不包括声子的散射。+  * 这里提到的QuantumATK处理输运的方法是弹性弹道散射，散射来自于表面和分子部分，但是不包括声子的散射。
   * 中央区域和电极对输运都一样的重要，如果某一部分是绝缘体或半导体，零偏压下就不会有电流。   * 中央区域和电极对输运都一样的重要，如果某一部分是绝缘体或半导体，零偏压下就不会有电流。
 </WRAP> </WRAP>
行 33: 行 40:
 ==== 从中央区域构建器件 ==== ==== 从中央区域构建器件 ====
  
-上文解释了ATK中的电极模型实际上在中央区域中已经定义了（电极延伸部分），这也是构建双电极体系的最便捷方法：先构建包含电极延伸部分的中央区域，再扩展周期电极部分。+上文解释了QuantumATK中的电极模型实际上在中央区域中已经定义了（电极延伸部分），这也是构建双电极体系的最便捷方法：先构建包含电极延伸部分的中央区域，再扩展周期电极部分。
  
 === 构造中央区域 === === 构造中央区域 ===
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 这个工具自动探测中央区域的左右部分的周期性，给出添加电极的多种可能性。本例中两端的锂原子间距相同（约3.11Å），周期性明显，当然二倍、三倍、四倍等周期也是存在的。 这个工具自动探测中央区域的左右部分的周期性，给出添加电极的多种可能性。本例中两端的锂原子间距相同（约3.11Å），周期性明显，当然二倍、三倍、四倍等周期也是存在的。
-<WRAP center round important 80%>+<WRAP center important 100%>
 尽管看上去选择最小的电极周期是可以的，但实际上却行不通。实际体系通常需要大于7-8Å的电极长度，小于这个长度的电极可能会导致计算结果错误。关于这一点的详细解释请参考[[atk:双电极体系中如何正确设置电极|双电极体系中如何正确设置电极]]。 尽管看上去选择最小的电极周期是可以的，但实际上却行不通。实际体系通常需要大于7-8Å的电极长度，小于这个长度的电极可能会导致计算结果错误。关于这一点的详细解释请参考[[atk:双电极体系中如何正确设置电极|双电极体系中如何正确设置电极]]。
 </WRAP> </WRAP>
行 92: 行 99:
 本例中应该选择三个锂原子长度（约9.3Å）作为电极。 本例中应该选择三个锂原子长度（约9.3Å）作为电极。
  
-<WRAP center round tip 80%>+<WRAP center tip 100%>
 用左侧工具中的“Split Device”工具可以把器件的电极部分单独拆分开来，用来进行电极部分的能带计算等。 用左侧工具中的“Split Device”工具可以把器件的电极部分单独拆分开来，用来进行电极部分的能带计算等。
 </WRAP> </WRAP>
行 107: 行 114:
 === 周期性与边界条件 === === 周期性与边界条件 ===
  
-中央区域和电极在ATK中都定义为块体结构（Bulk Configuration），因此是作为三维周期体系来处理的。当把三个部分结合成器件结构（Device Configuration）时，A、B方向仍然是周期结构，但是只有电极部分的C方向是周期结构，实际上是半无限周期结构（Semi-inifinite），从中间向两边无限周期重复。+中央区域和电极在QuantumATK中都定义为块体结构（Bulk Configuration），因此是作为三维周期体系来处理的。当把三个部分结合成器件结构（Device Configuration）时，A、B方向仍然是周期结构，但是只有电极部分的C方向是周期结构，实际上是半无限周期结构（Semi-inifinite），从中间向两边无限周期重复。
  
 在脚本里器件结构是这样定义的： 在脚本里器件结构是这样定义的：
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 ==== 小结 ==== ==== 小结 ====
-ATK中的器件结构是描述中央散射区结构耦合在两个半无限电极结构的模型。构建这种结构的最便捷的方法是先构建包含左右电极的中央区域，再转换成器件。详细的建模过程参见本文最后一部分。+QuantumATK中的器件结构是描述中央散射区结构耦合在两个半无限电极结构的模型。构建这种结构的最便捷的方法是先构建包含左右电极的中央区域，再转换成器件。详细的建模过程参见本文最后一部分。
 ===== 用图形界面Script Generator工具设置计算 ===== ===== 用图形界面Script Generator工具设置计算 =====
 下面介绍如何设置器件的计算。 下面介绍如何设置器件的计算。
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 {{ :atk:setup-transmissionanalyzer.png?600 |}} {{ :atk:setup-transmissionanalyzer.png?600 |}}
 ===== 深入分析结果 ===== ===== 深入分析结果 =====
-除了在上面的自洽计算脚本中直接添加其他分析计算以外，ATK还可以稍后再进行其他的分析计算。+除了在上面的自洽计算脚本中直接添加其他分析计算以外，QuantumATK还可以稍后再进行其他的分析计算。
 这样做很多时候可以把耗时的自洽计算与快速的分析计算分开进行，很多时候更方便。因为往往我们需要先了解体系的基本特性，再根据需要决定进行哪些分析计算，而不是盲目的进行很多没有价值的计算。 这样做很多时候可以把耗时的自洽计算与快速的分析计算分开进行，很多时候更方便。因为往往我们需要先了解体系的基本特性，再根据需要决定进行哪些分析计算，而不是盲目的进行很多没有价值的计算。
  
行 217: 行 224:
  
 在同一个窗口中还科技对态密度进行投影，值得注意的是氢原子上的投影态密度与透射谱形状非常相似。 在同一个窗口中还科技对态密度进行投影，值得注意的是氢原子上的投影态密度与透射谱形状非常相似。
-<WRAP center round info 60%>+<WRAP center round info 80%>
 投影（部分）态密度可以通过在右侧显示的结构上直接选择原子来显示，选择多个原子需要按住Ctrl键。选中原子后还可以在上部选择投影在s、p、d、f等角动量上。 投影（部分）态密度可以通过在右侧显示的结构上直接选择原子来显示，选择多个原子需要按住Ctrl键。选中原子后还可以在上部选择投影在s、p、d、f等角动量上。
 </WRAP> </WRAP>
  
 ==== 分子投影的自洽哈密顿量（MPSH） ==== ==== 分子投影的自洽哈密顿量（MPSH） ====
 +本节讲解如何计算氢分子的本征态，即通常所称的分子投影自洽哈密顿量（MPSH）的本征值谱。
 +回到Script Generator窗口，删去**DeviceDensityOfStates**对象，从**Analysis**增加一个**MolecularEnergySpectrum**和两个**Eigenstate**对象。
 +
 +{{ :atk:analysis_mpsh_menu.png?direct&500 |}}
 +
 +打开**MolecularEnergySpectrum**，在Projection Selector中勾选**Hydrogen**。
 +
 +打开两个Eigenstate，选择投影到Hydrogen，量子数分别设置为0和1。
 +
 +{{ :atk:mpsh_eigenstate_widget.png?direct&300 |}}
 +
 +用Job Manager运行脚本。结果将出现在''li-h2.nc''。选中{{:atk:energy_spectrum.png?direct&100|}}图标，点击右侧**2D Plot**即可显示能级谱；点击Text Representation即可打印出全部能级的数值。
 +
 +{{:atk:analysis_mpsh.png?direct&400|}}
 +
 +费米能级以下有一个本征态（量子数=0），对应了氢分子的HOMO能级；费米能级以上的第一个本征态（量子数=1）则对应了氢分子的LUMO能级。对比孤立氢分子的能级计算结果，我们发现由于耦合于锂原子中间，氢分子的HOMO-LUMO间距从12.1eV减小到了10.1eV。尤其是LUMO从费米能级以上6eV位置降低到了费米能级以上2eV位置，这解释了为什么氢分子能有比较大的电子透射。
 +
 +为了作出量子数=0的本征态的图，选中''li-h2.nc''中的Eigenstate，点击右侧Viewer，在弹出的窗口中选择isosurface或是contour：
 +
 +{{ :atk:li-h2-homo.png?direct&500 |}}
 +
 +<WRAP center round info 80%>
 +  * 为了让分子轨道图中显示结构，可以从LabFloor中将结构拖动到轨道图的窗口中；
 +  * 还可以重新拖入分子轨道，选择Contour图，这样就将不同的作图叠加在了一起；
 +  * 使用右侧Property可以任意调整图像的显示效果
 +</WRAP>
 +
 +
 +
 ==== 本征透射通道 ==== ==== 本征透射通道 ====
 +另外一个对我们理解轨道与输运关系非常有帮助的是本征透射通道分析。本征透射通道分析是在给定的能量和k点处，把透射矩阵对角化，得到对该能量、k点处的透射系数的贡献。
  
-===== IV曲线 ===== +在上面的Script Generator中，删去MolecularEnergySpectrum和Eigenstate。从Analysis中增加TransmissionEigenvalues和TransmissionEigenstate。 
-==== 有限偏压下自洽计算（单电压点） ==== +{{ :atk:analysis_transmission_eigen.png?direct&500 |}}
-==== 使用脚本进行I-V关系扫描 ====+
  
-===== 建模与结构优化 ===== +在默认的参数（能量=费米能级，kx=ky=0）下运行脚本，结果出现在li-h2.nc文件中。
-==== 电极结构 ==== +
-==== 确定中央区域结构 ==== +
-==== 有限偏压下的优化 ====+
  
 +选中TransmissionEigenvalues图标，点击Text Representation，可以看到费米能级处只有一个透射通道（透射系数约为0.7）。
 +{{ :atk:analysis_eigenvalues.png?direct&500 |}}
 +
 +和分子轨道图类似，透射通道也可以可视化。选中透射本征通道，点击右侧的Viewer工具。同样也可以把器件结构拖动到图上以同时显示（颜色显示了相位）：
 +
 +{{ :atk:analysis_eigenchannel.png?direct&500 |}}
 +
 +图中可以明显看出，由于中央氢分子的散射作用，右侧的本征态振幅比左侧要小很多。本征函数在左右两侧的波长是一样的，但是经过氢分子时，相位发生了180度翻转。这表明了这个通道的电子透射是通过氢分子的LUMO轨道完成的。
 +
 +==== 用同一个脚本完成一系列分析计算 ====
 +
 +多个分析计算可以放在一个脚本中一起完成。例如进行以下计算：
 +{{ :atk:analysis_multiple.png?direct&500 |}}
 +
 +===== 关于器件结构的优化 =====
 +进行器件计算应该使用合理结构，最“自洽”的方法是用QuantumATK进行结构优化。结构优化时，应该对central region进行优化，为了更快完成，可以尝试：
 +  * 先优化得到块体电极的结构，然后在此基础上创建中间区域；之后冻结中间区域的电极原子（除了电极表面的）；
 +  * 给定尽量合理的初始结构（根据直觉考虑，建模时也可以尝试用quick optimizer快速优化）；
 +  * 可以先考虑用经验势或半经验进行预优化；
 +  * 仔细优化时可以考虑使用Rigid冻结功能。
 +当然也可以考虑用VASP优化，VASP优化后直接导入QuantumATK创建器件结构计算输运性质，可以不必再优化。
 +
 +从2015版起提供了更为合理的（界面）器件优化方案，尤其是当左右电极为两种不同的块体材料时，界面晶胞的优化问题特别重要。详情请参考：[[atk:如何弛豫器件体系的几何结构|如何弛豫器件体系的几何结构]]。
 +
 +<WRAP center tip 100%>
 +进一步了解如何进行完整、可靠的器件计算，请参考：[[atk:使用atk研究电子输运|使用ATK研究电子输运]]。
 +</WRAP>
  
  
atk/器件体系的建模与计算.1432913548.txt.gz · 最后更改: 2015/05/29 23:32 由 fermi

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