基于Nanodcal石墨烯和其它1D/2D材料的結(jié)構(gòu)

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)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石墨烯和其它1D/2D材料 4.1.1-4.1.2.3的內(nèi)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(shè)置很具體的器件構(gòu)型，如電極，電極延伸區(qū)和散射區(qū)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(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

對于一個完美的周期結(jié)構(gòu)，其透射譜原則上是其電子能帶結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)時考慮如何對布里淵區(qū)進(jìn)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(jié)構(gòu)的方法是一樣的。因此，在使用時都將遵循相同的規(guī)則：晶胞必須是類電極結(jié)構(gòu)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(fù)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(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在，我們開始計算石墨烯。你的第一個任務(wù)是將六方的晶胞轉(zhuǎn)變?yōu)檎坏木О?/p>

（1）打開Device Studio，新建目錄graphene。

（2）從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入graphene，坐標(biāo)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(shè)置參數(shù)，將溫度改為100 K，K點改成1 9 15，然后點擊Generate file。

其他參數(shù)默認(rèn)。產(chǎn)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(shù)默認(rèn)，產(chǎn)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(jī)（小體系），也可以選擇nanodcal服務(wù)器（大體系）。本例以graphene、MoSe2分別選擇本機(jī)和服務(wù)器計算，操作如下：

1 本機(jī)計算：

（1）在Job Manager所示界面中點擊設(shè)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(wù)器計算：

（1）連接服務(wù)器：在Job Manager所示界面中點擊設(shè)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(wù)器。

圖 4-2：連接服務(wù)器操作界面

（2）自洽計算：在選擇nanodcal服務(wù)器后，選中scf.input右擊run后會出現(xiàn)以下界面：

圖 4-3：Run界面

根據(jù)計算需要設(shè)置參數(shù)后點擊save按鈕保存相應(yīng)的pbs腳本，然后點擊run進(jìn)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(qū)域選中能帶計算結(jié)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(jié)構(gòu)，正如與所選擇參數(shù)期望一般，你可以看到在費(fèi)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(xiàn)在Γ點和Z點之間（雖然沒有字母標(biāo)示）。在這里我們指出：由于我們使用的是超胞，所以布里淵區(qū)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(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)（目的是避免由于構(gòu)建正交超胞結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的能帶折疊效應(yīng)）。我們可以清晰的發(fā)現(xiàn)，MoS2單層是直接帶隙結(jié)構(gòu)，帶隙值約為* eV（在K點）