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半導體器件2.10的內容。

2.10. 硅的光學性質

光波入射到晶體中時，與晶體介質相互作用產生的一系列性質。凡光波頻率無變化的那些性質稱為線性光學性質；頻率有變化的稱為非線性光學性質。線性光學性質有代表性的主要是折射率。當強光(例如高功率密度激光束)入射到晶體中時，晶體就呈現光學非線性，比如倍頻效應。OpticCal程序主要適用于半導體和絕緣體的光學性質計算。一般地，在金屬介質中，材料的光學性質主要由載流子在能帶中的帶內躍遷所決定；而在半導體和絕緣體中，材料的光學性質主要由帶間躍遷所決定。在OpticCal程序中，主要考慮后一種情形。在理論上，先通過橫向微擾場作用下的線性響應，得到均勻介質中的橫向介電常數公式，然后再用長波近似來簡化公式。實際的計算過程為：首先，利用公式計算相對介電常數。材料的相對介電常數，指在同一電容器中用該材料作為電介質與該電容器在真空中的電容的比值，由于其依賴于電磁場的頻率，所以通常也叫作介電函數。在集成電路技術中，低介電常數技術常用于降低互連金屬層間的電容效應，而高介電常數技術主要用于降低MOS晶體管中柵極漏電流。其次，基于介電常數，可以計算材料的各種光學性質，如：折射率、消光系數、吸收系數、磁化率等。通過這些光學性質可以研究光在材料中的傳播，以及能量損耗等問題。本教程主要計算硅的電子結構和光學性質。

2.10.1. Si晶胞導入

（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：Silicon，保存類型：ProjectFiles(*.hpf)→保存即可；

（3）導入Si的晶胞：File→Import→Import Local，選取路徑material3DmaterialsConductorPure_metalSi.hzw打開；

圖 2-80：導入Si晶胞后的圖形界面

（4）點擊Simulator→Nanodcal→SCF Calculation→Generate file，設置參數并生成自洽計算所需的輸入文件。

2.10.2. 硅晶體的自洽計算

（1）準備輸入文件：scf.input，基組文件：Si_PBE-DZP.nad。scf.input文件如下：

（2）在Device Studio的Project窗口中，右擊scf.input，Run→Run即開始自洽計算；

（3）自洽結束后，會產生如下輸出文件：CalculatedResults.mat、log.txt、TotalEnergy.mat和NanodcalObject.mat。

2.10.3. 動量計算

（1）準備輸入文件：momentum.input，如下：

（2）在Project窗口中，右擊BandStructure.input，Run→Run即開始動量計算；

（3）動量計算完成后，會在當前目錄下生成Momentum.mat的文件，包含了體系的動量矩陣。

2.10.4. 光學性質計算

（1）準備輸入文件：permittivity.input，如下：

（2）計算結束后，會自動顯示并生成介電函數隨光子能量變化的曲線，如下圖：

圖 2-81：介電函數隨光子能量變化曲線

此外，輸出文件Permittivity.mat包含的數據如下：