Nanodcal自旋器件的結(jié)構(gòu)搭建與仿真

Nanodcal是一款基于非平衡態(tài)格林函數(shù)-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(yùn)過程，是目前國內(nèi)唯一一款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于第一性原理的輸運(yùn)軟件。可預(yù)測材料的電流 - 電壓特性、電子透射幾率等眾多輸運(yùn)性質(zhì)。

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1.3-1.3.1的內(nèi)容。

1.3. 鎳/黑磷/鎳隧道結(jié)的電輸運(yùn)

黑磷是2014年實(shí)驗(yàn)制備的新穎二維直接帶隙半導(dǎo)體，具有較寬的帶隙和較高的載流子遷移率(1000cm^2 V^(-1) s^(-1))，以及各向異性的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)性質(zhì)。目前黑磷已經(jīng)吸引了大量的科學(xué)研究，但是對于黑磷自旋注入方面的研究不多。本章采用NEGF-DFT方法，研究兩種不同界面的磁隧道結(jié)（MTJs），即Ni(111)/MBP/Ni(111)與Ni(100)/MBP/Ni(100)結(jié)構(gòu)的電輸運(yùn)性質(zhì)[1]。主要研究低偏壓即0~100mV下，電流的隧穿磁阻（TMR）、自旋注入率（SIE）及電子透射系數(shù)等。所有輸運(yùn)計算都使用第一性原理量化輸運(yùn)軟件Nanodcal來實(shí)現(xiàn)。

1.3.1 Device Studio建模

Device Studio （DS）是鴻之微科技（上海）股份有限公司為Nanodcal量身設(shè)計的一款圖形界面軟件，用戶可以使用DS進(jìn)行電子器件的結(jié)構(gòu)搭建與仿真。

DS的主要特點(diǎn)：

（1）能夠進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)和納米器件的建模；

（2）內(nèi)置多種納米帶Nanoribbon和Nanotube納米管生成器；

（3）可以直接生成Nanodcal的輸入文件并進(jìn)行存儲和管理；

（4）可以根據(jù)用戶需要將輸入文件傳遞給遠(yuǎn)程或當(dāng)?shù)氐腘anodcal軟件進(jìn)行計算，并控制計算流程；

（5）DS支持多種文件格式，包括xyz，cif，hzw，xsd等，而且支持輸出VASP的四個輸入文件；（6）Nanodcal計算結(jié)果可視化顯示和分析。

1.3.1.1 搭建Ni(100)界面

（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:Ni-BP-Ni，保存類型：ProjectFiles(*.hpf)→保存即可；

（3）從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入Ni晶體，如下：

File→Import→3DmaterialsConductorPure_metalNi→打開即可；

（4）原胞轉(zhuǎn)換為晶胞，如下：

Build→Redefine Crystal→face-centered→Preview→Build（選擇face-centered，自動完成轉(zhuǎn)換；Preview，進(jìn)行預(yù)覽）

圖 1-11：

（5）切Ni（100）面：Build→Surface/Slab

A．hkl是密勒指數(shù)；

B．想要第三個矢量垂直于（100）面，就需要選擇Slab復(fù)選框，通過Thickness一層一層的增加原子，找到c方向的最小原胞。

圖 1-12：

（6）將晶胞轉(zhuǎn)換為 4*1*1 的超胞：Build→Redefine Crystal

圖 1-13：

（7）刪除多余原子（黃色原子為選中原子）；

圖 1-14：

（8）選中剩余原子后，mirror工具鏡像；

圖 1-15：

（9）Convert to Crystal工具改變晶格常數(shù)，并用Center工具將結(jié)構(gòu)平移到盒子的中心，沿xz方向排列后，結(jié)構(gòu)圖如下：（保存并重命名為Ni100.hzw）

圖 1-16：

圖 1-17:

1.3.1.2 搭建MBP結(jié)構(gòu)

（1）從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入BP，如下：

File→Import→2DmaterialsNovelty_materiallackphosphorus

（2）修改BP的晶格常數(shù)：Convert to Crystal

Notes：修改晶格常數(shù)的目的是為了與Ni(100)面某一方向晶格相匹配。

（3）將晶胞轉(zhuǎn)換為8*1*1的超胞：Build→Redefine Crystal，沿xy方向查看，結(jié)構(gòu)圖如下：

圖 1-19:

（4）刪除多余原子后，結(jié)構(gòu)圖如下：（保存并重命名為BP.hzw）

圖 1-20:

1.3.1.3 搭建Ni/MBP/Ni結(jié)構(gòu)

（1）選中BP結(jié)構(gòu)，用快捷鍵ctrl+c復(fù)制，并將其拷貝ctrl+v到Ni100.hzw的構(gòu)型文件。

（2）選中BP原子，通過Move Atom工具 對BP位置進(jìn)行調(diào)整，Rotate Atom工具 對BP位置旋轉(zhuǎn)一定的角度。調(diào)整之后的結(jié)構(gòu)圖如下：

圖 1-21:

（3）Convert to Crystal工具,設(shè)置25?真空層，并用Center工具 將結(jié)構(gòu)平移到盒子的中心，沿xz方向排列后，結(jié)構(gòu)圖如下：（保存并重命名為Ni-BP-Ni.hzw）

圖 1-22:

圖 1-23:

（4）將此構(gòu)型轉(zhuǎn)換為兩端口系統(tǒng)：Build→Convert to Device→Preview→Build

圖 1-24:

說明：輸運(yùn)方向?yàn)閤，周期方向?yàn)閥，真空方向?yàn)閦

（5）增加緩沖層：Simulator→Nanodcal→Add Buffer→Build

（用戶根據(jù)自己的需求自定義，本例的輸運(yùn)方向：Front加了3個緩沖層，Back加了2個緩沖層）

圖 1-25:

（6）生成Nanodcal的輸入文件：Simulator→Nanodcal→SCF Calculation，根據(jù)自己需要選擇參數(shù)設(shè)置

圖 1-26:

點(diǎn)擊Generatefiles生成相應(yīng)文件夾，該文件夾包含2個電極和器件的子目錄（其中input文件包含自洽參數(shù)和原子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)）

圖 1-27: