基于Nanodcal石墨烯和其它1D/2D材料的结构

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石墨烯和其它1D/2D材料 4.1.1-4.1.2.3的内容。

4. 石墨烯和其它1D/2D材料

4.1. 完美石墨烯和二硫化钼片层的透射谱

4.1.1. 简介

在Nanodcal中，可以利用一种简单方法来计算一个完美周期性体系的透射谱。这种方法并不需要像处理非完美体系时设置很具体的器件构型，如电极，电极延伸区和散射区等。在这个例子中，你将看到怎样计算一个完美的周期性二维片层的透射谱。第一个计算实例是我们熟知的石墨烯；第二个实例是单层MoS2，相比石墨烯来说晶胞结构相对复杂。

对于一个完美的周期结构，其透射谱原则上是其电子能带结构每个能级上所有模式的累加求和。在一维体系中，你可以手动求和；但对于二维体系，我们必须在求解其电子结构时考虑如何对布里渊区进行合理的分割。

需要说明的是：在Device Studio中，计算透射谱和计算能带结构的方法是一样的。因此，在使用时都将遵循相同的规则：晶胞必须是类电极结构的，即晶胞的A和B矢量必须同时垂直于C（C平行于Z方向）；请记住，在C方向上你不需要重复晶胞；你可以利用尽可能小的晶胞。

4.1.2. 石墨烯

4.1.2.1. Device Studio构建几何结构

现在，我们开始计算石墨烯。你的第一个任务是将六方的晶胞转变为正交的晶胞。

（1）打开Device Studio，新建目录 graphene 。

（2）从数据库中导入graphene，坐标文件 graphene.hzw 如下：

（3）建立nanodcal自洽计算所需的输入文件，如下：

Simulator → Nanodcal →  SCF Calculation → Generate file 。设置参数，将温度改为100 K，K点改成 1 9 15 ，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 ，右击打开 open with ，可查看，如下。

（4）建立nanodcal计算能带的输入文件，如下：

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

4.1.2.2. 自洽计算及能带计算

计算时可以选择本机（小体系），也可以选择nanodcal服务器（大体系）。本例以graphene、MoSe2分别选择本机和服务器计算，操作如下：

1 本机计算：

（1）在Job Manager所示界面中点击 设置 按钮，弹出 MachineOptions 界面，在该界面中点击 MyComputer→Select 。

图 4-1：MachineOptions界面

（2）自洽计算：选中 scf.input 右击 run 。

（3）能带计算：选中 BandStructure.input 右击 run 。

2 Nanodcal服务器计算：

（1）连接服务器：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 4-2：连接服务器操作界面

（2）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：

图 4-3：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 。等待计算完毕后下载 CalculatedResults.mat 、 BandStructure.fig 文件。

4.1.2.3. 可视化分析

在Device Studio的Project Explorer区域选中能带计算结果文件 BandStructure.fig →  右击 →  Show View ，弹出能带可视化分析界面如图4-4、4-5所示。

（1）graphene

图 4-4：graphene的能带图可视化分析界面

观察能带结构，正如与所选择参数期望一般，你可以看到在费米能级附近有一个完美的能带。高对称K点是非常清晰的，它出现在Γ点和Z点之间（虽然没有字母标示）。在这里我们指出：由于我们使用的是超胞，所以布里渊区是折叠的。

（2）MoS2

图 4-5：MoS2的能带图可视化分析界面

上图所示的是利用LDA方法计算获得的六方MoS2单层结构的能带结构（目的是避免由于构建正交超胞结构所产生的能带折叠效应）。我们可以清晰的发现，MoS2单层是直接带隙结构，带隙值约为* eV（在K点）　　

      审核编辑：彭静