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2.3的内容。
2.3. 复能带计算
对于周期性固体,薛定谔方程Hψnk=EnkSψnk(S为重叠矩阵)中的ψnk可以写为ψnk(r)=e-ik⋅rUnk(r) ,这里的Unk(r) 是与晶体自身周期性相同的周期函数。在一般的能带结构计算中,波矢量k为实数,通过求解上述的薛定谔方程得到不同k(通常位于第一布里渊区的高对称线上)值对应的本征矢量,由此确定本征能量E nk(即能带结构)。
在计算复能带结构时,固定能量E,求解满足薛定谔方程的k值。这种解法可以得到实数和复数的k,实数k的解是通常的Bloch态,而带有虚部的解是在一个方向上呈指数递减,相反方向上递增。这样的解通常不能稳定存在于块体材料中,因此在能带结构计算中通常被忽略。然而,它们可以存在于表面或界面处,并且可以提供关于电子态如何在材料中衰减的信息,例如电子态如何通过一个薄的隧道势垒。
以Si(100)为例:
用Device Studio建模后生成相关输入文件
2.3.1. 准备及检查输入文件
结构文件、参数文件:scf.input
;基组文件:Si_LDA_DZP¬.nad
2.3.2. 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 2-9:连接服务器操作界面图
(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 2-10:Run界面图
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Action下的下载按钮下载NanodcalObject.mat
文件。
(3)电子复能带计算:与第2步一样选中cband.input右击run。等待计算完毕后点击Action下的下载按钮下载ComplexBandStructure.mat
;ComplexBandStructure.fig
文件。
2.3.3. 可视化分析
在Device Studio的Project Explorer区域选中能带计算结果文件ComplexBandStructure.fig→右击→Show View,弹出能带可视化分析界面,经数据处理后,如下图所示
图 2-11:Si(100)的复能带图
复能带的研究意义:
复能带结构可以用来描述周期性材料中容易消失的电子态,并用于费米能级校准、金属诱导的间隙态、边缘/杂质态以及电导-长度依赖性。从复能带上不同点的波函数形态可以看出本征态的衰减速率。
对于导电结,很自然地可以通过材料的电导-长度依赖性β来表征材料,此依赖性可以通过计算复能带获得。利用复能带和DFT-NEGF-Landauer输运两种基本理论都可以对β进行理论估计,复布洛赫波和传输本征通道都揭示了单个态β的信息。由复能带可以确定最导电状态的衰减常数的计算,以及分子结和半导体结的标准DFT-NEGF输运计算。结果表明,尽管这两种方法的性质不同,但分子结的衰减系数计算值有很强的一致性,而半导体结的衰减系数计算结果存在一定的差异。
复能带与电子透射有着紧密的联系。在分子结中,可以通过复能带找到总透射和单个态透射本征值对长度的依赖性,进而直观地给出电子态的隧穿行为。这对理解分子结的输运特性提供了一个有利的窗口。
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原文标题:产品教程|Nanodcal半导体器件( 复能带计算)
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