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2.5-2.5.2的内容。
2.5. Bi2Se3拓扑绝缘体
拓扑绝缘体是具有如正常绝缘体一样的块体能隙,但是在表面具有导电态的电子材料。这些态受材料的非平庸拓扑指数的拓扑保护,并且不会被任何扰动所移除。这些表面态的二维能量动量关系具有一个类似于石墨烯的“狄拉克锥”结构。拓扑绝缘体由此构成由奇异物理现象支配的新一类量子物质,并可能在将来运用于电子器件中。
2.5.1. GGA计算
2.5.1.1. Device Studio构建几何结构
(1)打开Device Studio,新建目录Bi2Se3_bulk。
(2)从数据库中导入数据并命名为Bi2Se3_bulk_GGA,坐标文件如下:
(3)建立nanodcal自洽计算所需的输入文件,(用扩胞后的文件)如下:
Simulator→Nanodcal→SCF Calculation→Generate file。设置参数K点改成9 9 3,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及基组文件Bi_LDA-DZP.nad、Se_LDA-DZP.nad,右击打开open with,可查看如下。
(4)建立nanodcal计算能带的输入文件(原胞),如下:
Simulator→Nanodcal→Analysis→BandStructure→->→Generate file。参数默认,产生能带计算的输入文件BandStrure.input,同样,右击打开open with,可查看,如下:
2.5.1.2. 自洽计算和能带计算
连接Nanodcal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 2-25:连接服务器操作界面
自洽计算:在选择nanodcal服务器后,选中scf.input右击run后会出现以下界面如图所示:
图 2-26: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。等待计算完毕后点击Job Manager所示界面中的Action下的下载按钮下载NanodcalObject.mat文件
3,能带计算:与第2步一样选中选中BandStructure.input右击run。等待计算完毕后点击Job Manager所示界面中的Action下的下载按钮下载BandStructure.mat、PhononBandStructure.fig、BandStructure.xml文件。
2.5.1.3. 可视化分析
在Device Studio的Project Explorer区域选中能带计算结果文件BandStructure.xml→右击→Show View,如下图:
图 2-27:块体Bi2Se3的GGA能带结构图
2.5.2. SOCGGA计算
2.5.2.1. Device Studio构建几何结构
(1)打开Device Studio,在Bi2Se3_bulk的目录下复制结构文件Bi2Se3_bulk_GGA并命名为Bi2Se3_bulk_SOCGGA。
(2)建立nanodcal自洽计算所需的输入文件,(用扩胞后的文件)如下:
Simulator→Nanodcal→SCF Calculation→Generate file。设置参数K点改成9 9 3,自旋方式改成GeneralSpin, 勾选spin-orbital interaction,Rho[0 1]下面修改为0.01,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及基组文件Bi_LDA-DZP.nad、Se_LDA-DZP.nad,右击打开open with,可查看,如下。
(3)建立nanodcal计算能带的输入文件,如下:
Simulator→Nanodcal→Analysis→BandSructure→->→Generate file。参数默认,产生能带计算的输入文件BandSructure.input,同样,右击打开open with,可查看,如下:
2.5.2.2. 自洽计算和能带计算
自洽计算:连接服务器(请参见Device Studio的工具栏中help→help Topic→7.应用实例→7.1Nanodcal实例)在选择服务器后,选中scf.input右击run。等待计算完毕后点击JobManager所示界面中的Action下的下载按钮下载NanodcalObject.mat文件。
能带计算:与第1步自洽计算一样选中BandStructure.input右击run。等待计算完毕后点击Job Manager所示界面中的Action下的下载按钮下载BandStructure.mat、PhononBandStructure.fig、BandStructure.xml文件。
2.5.2.3. 可视化分析
在Device Studio的Project Explorer区域选中能带计算结果文件BandStructure.xml→右击→Show View,如下图:
图 2-30:块体Bi2Se3的GGA+SOC能带结构图
在计算中考虑自旋轨道耦合(SOCGGA)对能带结构有一个显著的影响,并使在G点的直接带隙变大。然而,我们并没有见到任何能带穿过费米能级(最小的SOGGA能隙为0.3eV),所以Bi2Se3块体材料是绝缘体。
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原文标题:产品教程|Nanodcal半导体器件( Bi2Se3拓扑绝缘体01)
文章出处:【微信号:hzwtech,微信公众号:鸿之微】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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