Nanodcal是一款基于非平衡態格林函數-密度泛函理論（NEGF - DFT）的第一性原理計算軟件，主要用于模擬器件材料中的非線性、非平衡的量子輸運過程，是目前國內唯一一款擁有自主知識產權的基于第一性原理的輸運軟件。可預測材料的電流 - 電壓特性、電子透射幾率等眾多輸運性質。

迄今為止，Nanodcal 已成功應用于1維、2維、3維材料物性、分子電子器件、自旋電子器件、光電流器件、半導體電子器件設計等重要研究課題中，并將逐步推廣到更廣闊的電子輸運性質研究的領域。

本期將給大家介紹Nanodcal自旋器件1.3-1.3.1的內容。

1.3. 鎳/黑磷/鎳隧道結的電輸運

黑磷是2014年實驗制備的新穎二維直接帶隙半導體，具有較寬的帶隙和較高的載流子遷移率(1000cm^2 V^(-1) s^(-1))，以及各向異性的電學、光學、力學性質。目前黑磷已經吸引了大量的科學研究，但是對于黑磷自旋注入方面的研究不多。本章采用NEGF-DFT方法，研究兩種不同界面的磁隧道結（MTJs），即Ni(111)/MBP/Ni(111)與Ni(100)/MBP/Ni(100)結構的電輸運性質[1]。主要研究低偏壓即0~100mV下，電流的隧穿磁阻（TMR）、自旋注入率（SIE）及電子透射系數等。所有輸運計算都使用第一性原理量化輸運軟件Nanodcal來實現。

1.3.1 Device Studio建模

Device Studio （DS）是鴻之微科技（上海）股份有限公司為Nanodcal量身設計的一款圖形界面軟件，用戶可以使用DS進行電子器件的結構搭建與仿真。

DS的主要特點：

（1）能夠進行晶體結構和納米器件的建模；

（2）內置多種納米帶Nanoribbon和Nanotube納米管生成器；

（3）可以直接生成Nanodcal的輸入文件并進行存儲和管理；

（4）可以根據用戶需要將輸入文件傳遞給遠程或當地的Nanodcal軟件進行計算，并控制計算流程；

（5）DS支持多種文件格式，包括xyz，cif，hzw，xsd等，而且支持輸出VASP的四個輸入文件；（6）Nanodcal計算結果可視化顯示和分析。

1.3.1.1 搭建Ni(100)界面

（1） 雙擊圖標DeviceStudio快捷方式打開軟件；

（2）選擇Create a new Project→OK→文件名:Ni-BP-Ni，保存類型：ProjectFiles(*.hpf)→保存即可；

（3）從數據庫中導入Ni晶體，如下：

File→Import→3DmaterialsConductorPure_metalNi→打開即可；

（4）原胞轉換為晶胞，如下：

Build→Redefine Crystal→face-centered→Preview→Build（選擇face-centered，自動完成轉換；Preview，進行預覽）

圖 1-11：

（5）切Ni（100）面：Build→Surface/Slab

A．hkl是密勒指數；

B．想要第三個矢量垂直于（100）面，就需要選擇Slab復選框，通過Thickness一層一層的增加原子，找到c方向的最小原胞。

圖 1-12：

（6）將晶胞轉換為 4*1*1 的超胞：Build→Redefine Crystal

圖 1-13：

（7）刪除多余原子（黃色原子為選中原子）；

圖 1-14：

（8）選中剩余原子后，mirror工具鏡像；

圖 1-15：

（9）Convert to Crystal工具改變晶格常數，并用Center工具將結構平移到盒子的中心，沿xz方向排列后，結構圖如下：（保存并重命名為Ni100.hzw）

圖 1-16：

圖 1-17:

1.3.1.2 搭建MBP結構

（1）從數據庫中導入BP，如下：

File→Import→2DmaterialsNovelty_materiallackphosphorus

（2）修改BP的晶格常數：Convert to Crystal

Notes：修改晶格常數的目的是為了與Ni(100)面某一方向晶格相匹配。

（3）將晶胞轉換為8*1*1的超胞：Build→Redefine Crystal，沿xy方向查看，結構圖如下：

圖 1-19:

（4）刪除多余原子后，結構圖如下：（保存并重命名為BP.hzw）

圖 1-20:

1.3.1.3 搭建Ni/MBP/Ni結構

（1）選中BP結構，用快捷鍵ctrl+c復制，并將其拷貝ctrl+v到Ni100.hzw的構型文件。

（2）選中BP原子，通過Move Atom工具 對BP位置進行調整，Rotate Atom工具 對BP位置旋轉一定的角度。調整之后的結構圖如下：

圖 1-21:

（3）Convert to Crystal工具,設置25?真空層，并用Center工具 將結構平移到盒子的中心，沿xz方向排列后，結構圖如下：（保存并重命名為Ni-BP-Ni.hzw）

圖 1-22:

圖 1-23:

（4）將此構型轉換為兩端口系統：Build→Convert to Device→Preview→Build

圖 1-24:

說明：輸運方向為x，周期方向為y，真空方向為z

（5）增加緩沖層：Simulator→Nanodcal→Add Buffer→Build

（用戶根據自己的需求自定義，本例的輸運方向：Front加了3個緩沖層，Back加了2個緩沖層）

圖 1-25:

（6）生成Nanodcal的輸入文件：Simulator→Nanodcal→SCF Calculation，根據自己需要選擇參數設置

圖 1-26:

點擊Generatefiles生成相應文件夾，該文件夾包含2個電極和器件的子目錄（其中input文件包含自洽參數和原子結構數據）

圖 1-27: