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石墨烯和其它1D/2D材料 4.1.1-4.1.2.3的內容。
4. 石墨烯和其它1D/2D材料
4.1. 完美石墨烯和二硫化鉬片層的透射譜
4.1.1. 簡介
在Nanodcal中,可以利用一種簡單方法來計算一個完美周期性體系的透射譜。這種方法并不需要像處理非完美體系時設置很具體的器件構型,如電極,電極延伸區和散射區等。在這個例子中,你將看到怎樣計算一個完美的周期性二維片層的透射譜。第一個計算實例是我們熟知的石墨烯;第二個實例是單層MoS2,相比石墨烯來說晶胞結構相對復雜。
對于一個完美的周期結構,其透射譜原則上是其電子能帶結構每個能級上所有模式的累加求和。在一維體系中,你可以手動求和;但對于二維體系,我們必須在求解其電子結構時考慮如何對布里淵區進行合理的分割。
需要說明的是:在Device Studio中,計算透射譜和計算能帶結構的方法是一樣的。因此,在使用時都將遵循相同的規則:晶胞必須是類電極結構的,即晶胞的A和B矢量必須同時垂直于C(C平行于Z方向);請記住,在C方向上你不需要重復晶胞;你可以利用盡可能小的晶胞。
4.1.2. 石墨烯
4.1.2.1. Device Studio構建幾何結構
現在,我們開始計算石墨烯。你的第一個任務是將六方的晶胞轉變為正交的晶胞。
(1)打開Device Studio,新建目錄graphene。
(2)從數據庫中導入graphene,坐標文件graphene.hzw如下:
(3)建立nanodcal自洽計算所需的輸入文件,如下:
Simulator→Nanodcal→SCF Calculation→Generate file。設置參數,將溫度改為100 K,K點改成1 9 15,然后點擊Generate file。
其他參數默認。產生自洽計算的輸入文件scf.input,右擊打開open with,可查看,如下。
(4)建立nanodcal計算能帶的輸入文件,如下:
Simulator→Nanodcal→Analysis→BandStructure→->→Generate file。參數默認,產生能帶計算的輸入文件BandStructure.input,同樣,右擊打開open with,可查看,如下:
4.1.2.2. 自洽計算及能帶計算
計算時可以選擇本機(小體系),也可以選擇nanodcal服務器(大體系)。本例以graphene、MoSe2分別選擇本機和服務器計算,操作如下:
1 本機計算:
(1)在Job Manager所示界面中點擊設置按鈕,彈出MachineOptions界面,在該界面中點擊MyComputer→Select。
圖 4-1:MachineOptions界面
(2)自洽計算:選中scf.input右擊run。
(3)能帶計算:選中BandStructure.input右擊run。
2 Nanodcal服務器計算:
(1)連接服務器:在Job Manager所示界面中點擊設置按鈕,彈出MachineOptions界面,在該界面選擇中點擊New按鈕,彈出MachineSet界面,在該界面中填寫Computer Name、HostIp、port、Username、Password等一系列信息,點擊OK按鈕則在MachineOptions界面中添加了裝有Nanodcal的服務器。
圖 4-2:連接服務器操作界面
(2)自洽計算:在選擇nanodcal服務器后,選中scf.input右擊run后會出現以下界面:
圖 4-3:Run界面
根據計算需要設置參數后點擊save按鈕保存相應的pbs腳本,然后點擊run進行計算。等待計算完畢后下載NanodcalObject.mat文件
(3)能帶計算:與第2步一樣選中選中BandStructure.input右擊run。等待計算完畢后下載CalculatedResults.mat、BandStructure.fig文件。
4.1.2.3. 可視化分析
在Device Studio的Project Explorer區域選中能帶計算結果文件BandStructure.fig→右擊→Show View,彈出能帶可視化分析界面如圖4-4、4-5所示。
(1)graphene
圖 4-4:graphene的能帶圖可視化分析界面
觀察能帶結構,正如與所選擇參數期望一般,你可以看到在費米能級附近有一個完美的能帶。高對稱K點是非常清晰的,它出現在Γ點和Z點之間(雖然沒有字母標示)。在這里我們指出:由于我們使用的是超胞,所以布里淵區是折疊的。
(2)MoS2
圖 4-5:MoS2的能帶圖可視化分析界面
上圖所示的是利用LDA方法計算獲得的六方MoS2單層結構的能帶結構(目的是避免由于構建正交超胞結構所產生的能帶折疊效應)。我們可以清晰的發現,MoS2單層是直接帶隙結構,帶隙值約為* eV(在K點)
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原文標題:產品教程|Nanodcal石墨烯和其它1D/2D材料(完美石墨烯和二硫化鉬片層的透射譜)
文章出處:【微信號:hzwtech,微信公眾號:鴻之微】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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