Device Studio如何构建几何结构

 

Nanodcal是一款基于非平衡态格林函数-密度泛函理论（NEGF - DFT）的第一性原理计算软件，主要用于模拟器件材料中的非线性、非平衡的量子输运过程，是目前国内拥有自主知识产权的基于第一性原理的输运软件。可预测材料的电流 - 电压特性、电子透射几率等众多输运性质。

迄今为止，Nanodcal 已成功应用于1维、2维、3维材料物性、分子电子器件、自旋电子器件、光电流器件、半导体电子器件设计等重要研究课题中，并将逐步推广到更广阔的电子输运性质研究的领域。

本期将给大家介绍Nanodcal半导体器件2.5-2.5.2的内容。

2.5. Bi2Se3拓扑绝缘体

拓扑绝缘体是具有如正常绝缘体一样的块体能隙，但是在表面具有导电态的电子材料。这些态受材料的非平庸拓扑指数的拓扑保护，并且不会被任何扰动所移除。这些表面态的二维能量动量关系具有一个类似于石墨烯的“狄拉克锥”结构。拓扑绝缘体由此构成由奇异物理现象支配的新一类量子物质，并可能在将来运用于电子器件中。

2.5.1. GGA计算

2.5.1.1. Device Studio构建几何结构

（1）打开Device Studio，新建目录 Bi2Se3_bulk 。

（2）从数据库中导入数据并命名为 Bi2Se3_bulk_GGA ，坐标文件如下：

（3）建立nanodcal自洽计算所需的输入文件，（用扩胞后的文件）如下：

Simulator → Nanodcal → SCF Calculation→Generate file 。设置参数K点改成9 9 3，然后点击Generate file。其他参数默认。产生自洽计算的输入文件 scf.input 及基组文件 Bi_LDA-DZP.nad 、Se_LDA-DZP.nad ，右击打开open with，可查看如下。

（4）建立nanodcal计算能带的输入文件（原胞），如下：

Simulator → Nanodcal → Analysis → BandStructure → -> → Generate file 。参数默认，产生能带计算的输入文件 BandStrure.input ，同样，右击打开open with，可查看，如下：

2.5.1.2. 自洽计算和能带计算

连接Nanodcal服务器：在 Job Manager 所示界面中点击  设置 按钮，弹出 MachineOptions 界面，在该界面选择中点击 New 按钮，弹出 MachineSet 界面，在该界面中填写Computer Name、HostIp、port、Username、Password等一系列信息，点击  OK 按钮则在 MachineOptions 界面中添加了装有Nanodcal的服务器。

图 2-25：连接服务器操作界面

自洽计算：在选择nanodcal服务器后，选中 scf.input 右击 run 后会出现以下界面如图所示：

图 2-26：Run界面

根据计算需要设置参数后点击  save 按钮保存相应的pbs脚本，然后点击 run 进行计算。等待计算完毕后点击 Job Manager 所示界面中的 Action 下的 下载 按钮下载 NanodcalObject.mat 文件

3，能带计算：与第2步一样选中选中 BandStructure.input 右击 run 。等待计算完毕后点击 Job Manager 所示界面中的 Action 下的 下载 按钮下载 BandStructure.mat、PhononBandStructure.fig 、BandStructure.xml 文件。

2.5.1.3. 可视化分析

在Device Studio的Project Explorer区域选中能带计算结果文件 BandStructure.xml →  右击 → Show View ，如下图：

图 2-27：块体Bi2Se3的GGA能带结构图

2.5.2. SOCGGA计算

2.5.2.1. Device Studio构建几何结构

（1）打开Device Studio，在  Bi2Se3_bulk 的目录下复制结构文件 Bi2Se3_bulk_GGA 并命名为 Bi2Se3_bulk_SOCGGA 。

（2）建立nanodcal自洽计算所需的输入文件，（用扩胞后的文件）如下：

Simulator → Nanodcal → SCF Calculation → Generate file 。设置参数K点改成9 9 3，自旋方式改成GeneralSpin， 勾选spin-orbital interaction，Rho[0 1]下面修改为0.01，然后点击Generate file。其他参数默认。产生自洽计算的输入文件 scf.input 及基组文件 Bi_LDA-DZP.nad 、Se_LDA-DZP.nad ，右击打开open with，可查看，如下。

（3）建立nanodcal计算能带的输入文件，如下：

Simulator → Nanodcal → Analysis → BandSructure → -> → Generate file 。参数默认，产生能带计算的输入文件 BandSructure.input ，同样，右击打开open with，可查看，如下：

2.5.2.2. 自洽计算和能带计算

自洽计算：连接服务器（请参见Device Studio的工具栏中help→help Topic→7.应用实例→7.1Nanodcal实例）在选择服务器后，选中 scf.input 右击 run 。等待计算完毕后点击 JobManager 所示界面中的Action下的下载按钮下载 NanodcalObject.mat 文件。

能带计算：与第1步自洽计算一样选中 BandStructure.input 右击 run 。等待计算完毕后点击 Job Manager 所示界面中的Action下的下载按钮下载 BandStructure.mat 、 PhononBandStructure.fig 、 BandStructure.xml 文件。

2.5.2.3. 可视化分析

在Device Studio的Project Explorer区域选中能带计算结果文件 BandStructure.xml →  右击 →  Show View ，如下图：

图 2-30：块体Bi2Se3的GGA+SOC能带结构图

在计算中考虑自旋轨道耦合（SOCGGA）对能带结构有一个显著的影响，并使在G点的直接带隙变大。然而，我们并没有见到任何能带穿过费米能级（最小的SOGGA能隙为0.3eV）,所以Bi2 Se 3 块体材料是绝缘体。　　

      审核编辑：彭静