一款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于第一性原理的輸運(yùn)軟件

迄今為止，Nanodcal 已成功應(yīng)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(dǎo)體電子器件設(shè)計等重要研究課題中，并將逐步推廣到更廣闊的電子輸運(yùn)性質(zhì)研究的領(lǐng)域。

本期將給大家介紹Nanodcal自旋器件1.1的內(nèi)容。

1. 自旋器件

1.1. 自旋極化原子鏈的透射譜

碳不具有天然磁性，但當(dāng)鏈中的原子間距足夠大且不過大時，電子基態(tài)實際上是自旋極化的。該系統(tǒng)當(dāng)然是高度人為的，而且這種選擇也只是出于說明方法的目的。本教程的模型結(jié)構(gòu)如下：

1.1.1. Device Studio建立一維碳鏈模型

（1）雙擊圖標(biāo)DeviceStudio快捷方式”打開軟件；

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

（3）點擊Build→Crystal，構(gòu)建晶格并添加C原子，其中a=b=12 ?.c=2.9 ?，α=β=γ=90°，C原子位于晶格中心，點擊Preview→Build，如圖：

構(gòu)建單個C原子晶胞圖形界面

Tip: 沿A和B方向采用周期性邊界條件，因此我們使用較大的a = 12?晶胞矢量來最大程度地減少沿著A和B的鏈重復(fù)圖像之間的靜電相互作用。

（4）點擊Build→Redefine Crystal，在c方向上擴(kuò)胞18倍，Preview→Build；

擴(kuò)胞的圖形界面

（5）點擊按鈕Convert to Device，設(shè)置左右電極的長度為-7和7，點擊Preview→Build，得到1D碳原子鏈器件模型，如圖：

晶體轉(zhuǎn)換為器件的圖形界面

（6）點擊Simulator→Nanodcal→SCF Calculation→Generatefile，設(shè)置參數(shù)并生成自洽計算所需的輸入文件。

1.1.2. 計算自旋平行透射譜

現(xiàn)在，利用Nanodcal對自旋平行態(tài)下的器件進(jìn)行NEGF-DFT計算，并為該自旋構(gòu)型計算電子透射譜。本節(jié)將以碳-碳-碳（C-C-C）體系為例， 講 Two-probe 體系電子自洽計算，分為以下三個步驟：（1）電極的自洽計算；（2）中心區(qū)的自洽計；（3）電子透射譜的計算。

Notes: 碳-碳-碳體系采用完全相同的左、右電極，故只需對其中一個電極進(jìn)行自洽計算。

1.1.2.1. 電極自洽計算

（1） 準(zhǔn)備輸入文件 結(jié)構(gòu)文件、參數(shù)文件：scf.input；基組文件：C_LDA_DZP?.nad

%%What quantities should be calculatedcalculation.name = scf%Basic settingcalculation.occupationFunction.temperature = 100calculation.realspacegrids.E_cutoff = 80 Hartreecalculation.xcFunctional.Type = LDA_PZ81calculation.k_spacegrids.number = [ 1 1 100 ]'system.centralCellVectors = [[12 0 0]' [0 12 0]' [0 0 7]']system.spinType = CollinearSpin%Iteration controlcalculation.SCF.monitoredVariableName={'rhoMatrix','hMatrix','totalEnergy','bandEnergy','gridCharge','orbitalCharge','spinPolar'}calculation.SCF.convergenceCriteria = {1e-04,1e-04,[],[],[],[],[]}calculation.SCF.maximumSteps = 200calculation.SCF.mixMethod = Pulaycalculation.SCF.mixRate = 0.1calculation.SCF.mixingMode = Hcalculation.SCF.startingMode = H%calculation.SCF.donatorObject = NanodcalObject.mat%Basic setsystem.neutralAtomDataDirectory = '../'system.atomBlock = 3AtomType OrbitalType X Y Z SpinPolarizationC       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      7.25000000      0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      4.35000000      0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      1.45000000      0.5end

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

1.1.2.2. 中心區(qū)自洽計算

（1）準(zhǔn)備輸入文件：結(jié)構(gòu)文件、參數(shù)文件scf.input；基組文件C_LDA_DZP?.nad

%%What quantities should be calculatedcalculation.name = scf%Basic settingcalculation.occupationFunction.temperature = 100calculation.realspacegrids.E_cutoff = 80 Hartreecalculation.xcFunctional.Type = LDA_PZ81calculation.k_spacegrids.number = [ 1 1 1 ]'%Description of electrodesystem.numberOfLeads = 2system.typeOfLead1 = leftsystem.voltageOfLead1 = 0system.objectOfLead1 = ../LeftElectrode/NanodcalObject.matsystem.spinDirectionOfLead1 = [0 0 1]system.typeOfLead2 = rightsystem.voltageOfLead2 = 0system.spinDirectionOfLead2 = [0 0 1]system.objectOfLead2 = ../RightElectrode/NanodcalObject.mat%Contour integral%calculation.complexEcontour.lowestEnergyPoint = 1.5 Hartreecalculation.complexEcontour.numberOfPoints = 40calculation.realEcontour.interval = 0.0272114calculation.realEcontour.eta = 0.0272114system.centralCellVectors = [[12 0 0]' [0 12 0]' [0 0 34.8]']system.spinType = CollinearSpin%Iteration controlcalculation.SCF.monitoredVariableName={'rhoMatrix','hMatrix','totalEnergy','bandEnergy','gridCharge','orbitalCharge','spinPolar'}calculation.SCF.convergenceCriteria = {1e-04,1e-04,[],[],[],[],[]}calculation.SCF.maximumSteps = 200calculation.SCF.mixMethod = Pulaycalculation.SCF.mixRate = 0.05calculation.SCF.mixingMode = Hcalculation.SCF.startingMode = H%calculation.SCF.donatorObject = NanodcalObject.mat%Basic setsystem.neutralAtomDataDirectory = '../'system.atomBlock = 12AtomType OrbitalType X Y Z SpinPolarizationC       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      33.35000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      24.65000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      15.95000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      7.25000000      0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      30.45000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      21.75000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      13.05000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      4.35000000      0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      27.55000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      185000000       0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      10.15000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      1.45000000      0.5end

（2）自洽計算

在Device Studio的Project窗口中，右擊scf.input，Run→Run即開始自洽計算會產(chǎn)生以下輸出文件：log.txt、NanodcalObject.mat、TotalEnergy.mat、Temporarydata

自洽收斂后，我們就可以計算體系的各種物理性質(zhì)。

小貼士：做電極自洽時，周期方向K點取多（10左右），輸運(yùn)方向K點取較多，真空方向K點取1；做中心區(qū)自洽時，周期方向K點取多（10左右），輸運(yùn)和真空方向K點取1；做Transmission計算時，周期方向K點取很多（100以上），輸運(yùn)和真空方向K點取1。

備注一：關(guān)于電極自洽輸運(yùn)方向取多

(1)當(dāng)電極是一維體系時，此處K點建議取到100；

(2)當(dāng)電極是二維和三維材料時，此處K點可取10左右。

初學(xué)者可以根據(jù) Nanodcal 自動默認(rèn)的k-spacegrids.number值來進(jìn)行設(shè)置。做法是先將自洽計算輸入文件中calculation.k_spacegrids.number一行注釋掉， 再進(jìn)行自洽計算。計算結(jié)束后，讀取 Nanodcal 自動給出的 k-space grid numbers 即可。

1.1.2.3. 電子透射譜計算

• （1）在中心區(qū)自洽計算的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)備輸入文件Transmission.input操作如下：

• 點擊Simulator→Nanodcal→Analysis→Transmission→->→Generatefiles

system.object = NanodcalObject.mat
calculation.name = transmission
calculation.transmission.kSpaceGridNumber = [ 1 1 1 ]'
calculation.transmission.energyPoints = -66     表示能量點的選取范圍是：-2到2 eV，間隔為 0.01 eV。
calculation.transmission.plot = true
calculation.control.xml = true

（2）在Device Studio的Project窗口中，右擊Transmission.input,Run→Run即開始透射譜計算；

計算結(jié)束后，會產(chǎn)生以下輸出文件：Transmission.mat、Transmission.xml、Transmission.fig、CalculatedResults.mat和log.txt。

（3）輸出文件Transmission.xml在Device Studio中可視化分析，如圖：

自旋平行態(tài)下的透射譜

上圖繪制了自旋向上（藍(lán)色）和自旋向下（紅色）的透射譜，并且它們之間存在顯著差異：在費(fèi)米能級處，自旋向下的透射率為零，自旋向上的透射率是3。

1.1.3. 計算自旋反平行透射譜

現(xiàn)在，進(jìn)行自旋反平行態(tài)下的計算，并將透射譜與自旋平行情況進(jìn)行比較。已計算的自旋平行態(tài)將用作反平行態(tài)計算的初始猜想。

（1）自旋反平行態(tài)下的電極自洽計算與自旋平行態(tài)下的所有輸入文件一致；

（2）中心區(qū)自洽輸入文件scf.input與平行態(tài)下的區(qū)別在于以下參數(shù)，其他參數(shù)一致

%Description of electrodesystem.numberOfLeads = 2system.typeOfLead1 = leftsystem.voltageOfLead1 = 0system.objectOfLead1 = ../LeftElectrode/NanodcalObject.matsystem.spinDirectionOfLead1 = [0 0 1]      %電極1的自旋方向system.typeOfLead2 = rightsystem.voltageOfLead2 = 0system.spinDirectionOfLead2 = [0 0 -1]      %電極2的自旋方向system.objectOfLead2 = ../RightElectrode/NanodcalObject.mat

（3）在中心區(qū)自洽計算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行透射譜計算，方法與1.2.3小節(jié)相同。計算結(jié)束后，輸出文件Transmission.xml在Device Studio中可視化分析，如圖：

自旋反平行態(tài)下的透射譜

在這種情況下，正如器件的對稱性可預(yù)期的那樣，兩個自旋分量具有相同的透射譜。

（4）最后，處理數(shù)據(jù)得到自旋平行和反平行態(tài)下總的透射譜，如圖：

自旋平行和反平行態(tài)下總的透射譜

由圖可知，在費(fèi)米能級附近，自旋平行態(tài)（藍(lán)色）的透射明顯大于反平行態(tài)（紅色）的透射。