这是本文档旧的修订版！
沉积超薄氧化层调控银表面功函数
版本：2015.1
沉积在金属基底上的绝缘材料超薄膜构成了一类特殊的材料，在不同的领域具有可调特性和增长潜力 [GP11] [Pac12] [PH13]。在本教程中，您将学习如何通过沉积另一种材料的覆盖层来更改基材的功函数。
注意
功函数的调整
在金属基板上沉积薄绝缘膜的一个重要结果就是金属载体功函数的诱导变化，会根据界面的性质而降低或增加。在文献中已经报道过这种功函数变化的例子。利用开尔文探针力显微镜或扫描隧道显微镜研究 Au(111) 和 Ag(100) 上的碱金属氯化物薄膜，显示功函数有 0.5-1.2 eV [LZE04] [PPS + 05] 的降低。另一项基于场发射共振的研究发现，高达3 ML的NaCl岛状物的功函数降低了 1.3 eV [PBP + 07]。理论计算预测了各种金属上的 NaCl，MgO 和其他氧化物功函数的降低 [BTI04] [GCP06] [PMP08]。
您将计算由于沉积 1 至 3 层绝缘 MgO 形成金属的 Ag(100) 表面功函数变化。计算功函数的过程遵循教程 Computing the work function of a metal surface using ghost atoms 中给出的指示。，
特别地，您将：
- 创建并优化 Ag 和 MgO 的块体结构；
- 构造 Ag(100) 和 MgO(100) 表面；
- 构建 MgO(100)/Ag(100) 界面；
- 设置功函数的计算并运行；
- 分析结果，与文献做比较。
警告
计算设置
在本教程中，您将使用一组特定的计算设置（网格截断，k 点取样，基组，交换关联，金属层数等），这些设置的选择使得 QuantumATK 的结果可以与文献比较。但请务必记住，您应该检查您的结果在这些设置下是否适当地收敛。
Ag(100) 和 MgO(100) 表面
按照以下步骤创建银和氧化镁块体：
- 打开 Builder
，点击 Add 
Add From Database，找到数据库中的 “Silver” 并将其添加到 Stash。 - 找到 MgO 并添加到 Stash。您现在应该在 Stash 中扩大构型：
在本教程中，您将使用 PW91 交换关联函数进行 DFT 模拟，以便与文献 [PMP08] 中 Prada 等人的结果进行比较。PW91 中 Ag 的晶格常数为 4.16Å，因此将此值用于银的块体构型：
- 选择 Stash 里的 “Sliver”，打开 Bulk Tools Lattice Parameters 插件。
- 确保在更改晶格时保留原子的分数坐标，并输入晶格参数为 4.16 Å。关上窗口。
提示
您还可以使用 PW9 1和 11x11x11 的 k 点简单地执行银块体构型的 DFT 几何优化，从而弛豫晶胞。对于晶格常数，这种更一般的方法的结果约为 4.16 Å。
接下来，构建 Ag(100) 表面：
- 利用 Builders Surface (Cleave) 工具沿银的 [100] 方向切割，点击两次 Next。
- 为平面外晶格矢量选择 Non-periodic and normal (slab)，并将平板厚度设置为 5 层，顶部真空 15 Å，底部真空 5 Å。大的真空能够确保有效势可以在平板上方平稳地衰减到零。
按照相同的步骤创建一个 4 层的 MgO(100) 表面，然后将两个新的 Stash 项目分别重命名为 “Ag(100)” 和 “MgO(100)”。
Ag/MgO 界面
您现在应该使用 Builders 
Interface 插件构建 MgO(100)/Ag(100) 界面：
- 打开 Interface 插件，将 Ag(100) 和 MgO(100) 的构型拖拽到两个放置区域。请注意，第二个表面 （MgO） 会自动轻微变形 0.81％以使其与 第一个 表面 （Ag） 相匹配：
- Ag-MgO 间隔太大了。单击 Shift Surfaces 按钮并输入 -19.4 Å 的 z 向位移，以使 MgO(100) 平板更接近 Ag(100)。界面的间隔现在应为 2.7Å。请注意，O 原子在相对于 Ag 原子顶部的位置，因此您不必在 xy 平面中移动 MgO 平板：
- 关闭 Shift Surfaces 窗口，点击 Create 将界面添加到 Stash。
提示
您可以在教程 The Interface Builder in QuantumATK 的技术说明中了解更过有关创建界面的更多信息。
DFT 计算
如教程 Computing the work function of a metal surface using ghost atoms 中所述，您需要在表面或界面上方添加“鬼原子”。功函数的计算需要对延伸到真空中的电荷密度进行非常好地描述，鬼原子正好可以保障这点。
添加鬼原子
- 选择最外面的 O 和 Mg 表面原子（一共是两个原子），然后单击 Builder 窗口顶部工具栏中的
图标：
- 接下来，交换两个鬼原子的标识，使得 O 鬼原子在表面 O 原子之上，Mg 亦是如此。您只需选择一个（鬼）原子并使用上图中被环绕的
图标并从周期表中选择。
- 最后，将构型发送到 Script Generator
。
ATK-DFT 计算
当表面之上晶胞边界的有效势为零时，功函数就被认为是化学势。Dirichlet 边界条件 （BC） 则用于强制执行这点。您还将计算有效势，以便直观地检验。按照以下所列方法设置所需的 DFT 计算：
- 变更默认输出文件名称为
MgO3LAg.nc，并添加四个模块到脚本：
New Calculator, 
OptimizeGeometry, 
ChemicalPotential, and EffectivePotential。
- 打开 New Calculator 模块，设置以下参数：
- k-point Sampling：11x11x1;
- Iteration Control：Tolerance = 10-5 Hartree;
- Exchange Correlation：GGA.PW91;
- Basis set：为 O 和Mg 选择DoubleZetaPolarized，Ag 为 SingleZetaPolarized。
- Poisson solver:
- 选择 FFT2D solver,
- 在左 C 面选择 Neumann 边界条件,
- 在右 C 面选择 Dirichlet 边界条件。
- 下一步，打开 OptimizeGeometry 模块并编辑。特别地，要确保在优化过程中约束 Ag(100) 平板底部和鬼原子：
- 将 Force tolerance 降低到 0.01 eV/Å。
- 点击 Save trajectory，输入
MgO3LAg.nc作为文件名。 - 单击 Add Constraints，选择底部的两个 Ag 原子和两个鬼原子。然后点击 Add tag from selection ，为选中的原子 (Selection 0) 选择一个 Fixed 的限制。
保存脚本为 MgO3LAg.py，并用 Job Manager 
执行。如有需要，您也可以在此处 ↓ MgO3LAg.py 下载最终的脚本。如果是在一个现代的笔记本电脑上连续执行计算，应该仅需要 5 分钟就可以完成。如果是用 4 个 MPI 进程并行执行，则可减少到 2.5 分钟。
分析结果
OptimizeGeometry，ChemicalPotential 和 EffectivePotential 数据块现在应该已出现在 QuantumATK 的 LabFloor 上。
尝试选择 OptimizeGeometry 数据块，并通过单击 LabFloor 右侧的 Viewer 插件可视化弛豫轨迹。单击 按钮启动视频。确认受约束的 Ag 和鬼原子在弛豫期间确实是固定的。