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atk:格林函数方法模拟材料表面

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atk:格林函数方法模拟材料表面 [2017/08/19 17:13] – [幽灵原子（Ghost atom）] fermiatk:格林函数方法模拟材料表面 [2018/03/20 22:19] (当前版本) – liu.jun
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 slab模型由有限层数的原子构成，C方向两边其他地方是真空，因此这个体系有两个表面（表面-真空界面）。静电（Hartree）势（$V_H$）在slab的中间是和块体材料接近的，而在表面处有一定变化，并过渡到真空区域的常数。 slab模型由有限层数的原子构成，C方向两边其他地方是真空，因此这个体系有两个表面（表面-真空界面）。静电（Hartree）势（$V_H$）在slab的中间是和块体材料接近的，而在表面处有一定变化，并过渡到真空区域的常数。
-{{ :atk:edp_slab.png?400 |}}+{{ :atk:edp_slab.png?600 |}}
  
 与之不同，格林函数表面模型包含一个表面区域，并将其连接在一个电极上，电极部分是一个完整的块体材料周期结构。电子态在电极--表面区域之间的界面上通过格林函数匹配。因此，表面的电子态与块体基底连接，表面的化学势因此被固定为电极的化学势。 与之不同，格林函数表面模型包含一个表面区域，并将其连接在一个电极上，电极部分是一个完整的块体材料周期结构。电子态在电极--表面区域之间的界面上通过格林函数匹配。因此，表面的电子态与块体基底连接，表面的化学势因此被固定为电极的化学势。
-{{ :atk:edp_surface.png?400 |}}+{{ :atk:edp_surface.png?600 |}}
 ==== NEGF方法的优点 ==== ==== NEGF方法的优点 ====
 与传统的slab模型相比，基于格林函数方法的表面计算有明显的优势： 与传统的slab模型相比，基于格林函数方法的表面计算有明显的优势：
   * slab模型是有限体系，只有有限的电子。因此，当表面上的分子与表面之间发生电荷转移时，表面模型的总电子数将发生变化，这将导致slab模型中的电子的化学势发生变化，这为计算的可靠性带来很大的问题。格林函数方法通过将表面耦合于一个无限大的电子池（化学势固定的电极）避免了这一问题。   * slab模型是有限体系，只有有限的电子。因此，当表面上的分子与表面之间发生电荷转移时，表面模型的总电子数将发生变化，这将导致slab模型中的电子的化学势发生变化，这为计算的可靠性带来很大的问题。格林函数方法通过将表面耦合于一个无限大的电子池（化学势固定的电极）避免了这一问题。
-  * 性质计算随slab模型的厚度的收敛很麻烦，常常需要多种校正以避免晶胞重复之间的相互作用。而在ATK格林函数计算中，由于边界条件的合理选择，表面性质随表面厚度的收敛非常容易，详见下文。+  * 性质计算随slab模型的厚度的收敛很麻烦，常常需要多种校正以避免晶胞重复之间的相互作用。而在QuantumATK格林函数计算中，由于边界条件的合理选择，表面性质随表面厚度的收敛非常容易，详见下文。
 ===== 单电极的NEGF计算 ===== ===== 单电极的NEGF计算 =====
-如前所述，格林函数表面模型有一个电极和一个表面区域（或称中间区域）组成。在ATK的语言里，可以称之为只有一个电极的器件结构。和其他ATK器件（NEGF）计算一样，计算由两步完成：+如前所述，格林函数表面模型有一个电极和一个表面区域（或称中间区域）组成。在QuantumATK的语言里，可以称之为只有一个电极的器件结构。和其他QuantumATK器件（NEGF）计算一样，计算由两步完成：
   * 首先进行电极块体材料电子态计算，这一步通常很快。   * 首先进行电极块体材料电子态计算，这一步通常很快。
   * 接下来计算表面区域的基态，过程中确保电极--表面的连接处电子态匹配。   * 接下来计算表面区域的基态，过程中确保电极--表面的连接处电子态匹配。
  
 如下图所示，在晶胞C方向使用了三种不同的边界条件。电极部分向左方向采用周期边界条件，而在电极--表面处采用狄利克雷（Dirichlet）边界条件。而在表面一侧，Neumann边界条件是最自然合理的。 如下图所示，在晶胞C方向使用了三种不同的边界条件。电极部分向左方向采用周期边界条件，而在电极--表面处采用狄利克雷（Dirichlet）边界条件。而在表面一侧，Neumann边界条件是最自然合理的。
-{{ :atk:drawing.png?400 |}}+{{ :atk:drawing.png?600 |}}
 ===== Ag(100) 表面的功函数 ===== ===== Ag(100) 表面的功函数 =====
  
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 <WRAP center tip 100%> <WRAP center tip 100%>
-你可以参考下面两个教程学习如何进行结构优化和能带计算。+你可以参考其他相关教程学习如何进行结构优化和能带计算。
  
 </WRAP> </WRAP>
行 83: 行 83:
 点击右下角箭头将此结构发送到 **Script Grenerator**去设置并进行格林函数计算。 点击右下角箭头将此结构发送到 **Script Grenerator**去设置并进行格林函数计算。
 ==== 进行计算 ==== ==== 进行计算 ====
 +
 +在 **Script Generator** 里双击添加如下计算步骤：
 +  * New Calculator；
 +  * Analysis->ChemicalPotential；
 +  * Analysis->ElectrostaticDifferencePotential.
 +
 +{{ :atk:greensurface-scripter1.png?600 |}}
 +
 +双击打开 **New Calculator**，在 **Basic device** 里，选择 LDA 交换关联泛函和 9x9x100 的 k 点。
 +
 +<WRAP center info 100%>
 +QuantumATK器件计算时，C方向需要选择很大的k点（这里是100），详见教程[[atk:使用atk研究电子输运|]]。 C方向k点仅用于电极部分计算，而不用于主要区域计算，这是因为central region 定义为非周期性体系，因此C方向k点只需要1。
 +</WRAP>
 + 
 +接下来，找到 **Basis set/exchange corelation** 设置，选择 ''SingleZetaPolarized''基组。最后，在**Poisson Solver**设置里，将右侧C表面的的边界条件改为//Neumann//。
 +
 +{{ :atk:greensurface-poisson_solver.png?600 |}}
 +
 === 环路积分 === === 环路积分 ===
 +
 +NEGF方法使用复平面内的环路积分（Contour Integral）来计算格林函数。如果使用的赝势包含深能级（半芯）态时，Contour Integral默认参数//Integral lower bound//和//Circle points//可能需要增加。（详见教程 [[atk:使用atk研究电子输运|]]的有关章节）
 +
 +{{ :atk:greensurface-op_26.png?600 |}}
 +
 +因此，最好先检查块体的能带，以确保最低的能带处于lower bound之上。这里，我们可以从文件''silver.nc''保存的能带进行判断，如下图。
 +
 +{{ :atk:greensurface-bandstructure4.png?600 |}}
 +
 +最低能量本征值大约位于费米能级下7.8eV（0.29 Hartree），远高于环路积分的能量窗口边界（费米能级下1.5 Hartree），因此不需要改变默认设置。
 +
 +
 === 保存脚本并运行 === === 保存脚本并运行 ===
 +
 +返回Script Generator 主窗口，将默认输出文件名改为''silver_gfs.nc''，将脚本保存为''silver_gfs.py''。如果需要也可以在这下载脚本：{{:atk:silver_gfs.zip|}}。
 +
 +将脚本发送至**Job Manager**或使用终端运行。在笔记本电脑上，此计算大于需要4分钟。
 +
 +
 +
 ==== 结果分析 ==== ==== 结果分析 ====
 +
 +计算结束后，NetCDF文件''silver_gfs.nc''出现在**LabFloor**里，里面包含了带有收敛计算的表面结构，化学势和差别静电势（EDP）。
 +  * {{:atk:oneprobe1.png?60|}} One-probe surface configuration
 +  * {{:atk:labfloor_chemicalpotential.png?60|}} Chemical Potential
 +  * {{:atk:labfloor_electrostaticdifferencepotential.png?60|}} ElectrostaticDifferencePotential
 +
 +先查看表面方向的静电势分布情况。选中EDP，打开右侧**1D Projector**工具。
 +
 +EDP是三维格点数据，但是1D Projector可以将其延任意方向投影，将EDP在C方向投影如下。
 +
 +{{ :atk:greensurface-op_edp_plot.png?600 |}}
 +
 +Ag(100)表面的功函数可以通过计算真空区域的（常数）EDP与化学势（在格林函数表面计算中是电极的化学势）的差别得到：
 +$$
 +\mathrm{WF} = \delta V_\mathrm{H}^\mathrm{c=1} - \mu
 +$$
 +
 +将红色圆点移动到最右侧（c=1）可以得到$\delta V_\mathrm{H}^\mathrm{c=1}$=+2.14 eV。
 +
 +选中化学势图标，使用 Text Representation 可以读取数值为 $\mu$= -2.46 eV。 
 +
 +{{ :atk:greensurface-op_cp.png?600 |}}
 +
 +{{ :atk:greensurface-op_cp_text.png?600 |}}
 +
 +理论计算得到的功函数为4.6eV，与实验得到的4.64eV非常接近。注意到表面结构并没有弛豫，也就没有考虑表面重构等的影响。实际计算时可以添加OptimzeGemoetry进行结构弛豫。
 +
 +
 +
 +
 ===== 功函数对金属层数的收敛性 ===== ===== 功函数对金属层数的收敛性 =====
 +
 +最后，我们看一下格林函数方法与传统slab方法的区别。下图显示了Ag(100)表面功函数预测结果与银原子层数的关系。格林函数使用的方法与上面类似，不过使用了两层幽灵原子。
 +
 +结果清楚的表明，与传统的slab模型相比，使用格林函数表面模型进行计算得到的功函数对原子层数的收敛性要快得多。
 +
 +{{ :atk:greensurface-convergence2.png?600 |}}
 +
 +如果想重复上述结果，可以下载这两个脚本进行计算：{{:atk:wf_slab.zip|}}和{{:atk:wf_surface.zip|}}，并使用这个脚本{{ :atk:plot1.zip |}}进行作图。
 +
  
atk/格林函数方法模拟材料表面.1503133982.txt.gz · 最后更改: 2017/08/19 17:13 由 fermi

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