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(jì)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?？深A(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(jì)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半導(dǎo)體器件2.5-2.5.2的內(nèi)容。

2.5. Bi2Se3拓?fù)浣^緣體

拓?fù)浣^緣體是具有如正常絕緣體一樣的塊體能隙，但是在表面具有導(dǎo)電態(tài)的電子材料。這些態(tài)受材料的非平庸拓?fù)渲笖?shù)的拓?fù)浔Ｗo(hù)，并且不會被任何擾動所移除。這些表面態(tài)的二維能量動量關(guān)系具有一個類似于石墨烯的“狄拉克錐”結(jié)構(gòu)。拓?fù)浣^緣體由此構(gòu)成由奇異物理現(xiàn)象支配的新一類量子物質(zhì)，并可能在將來運(yùn)用于電子器件中。

2.5.1. GGA計(jì)算

2.5.1.1. Device Studio構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)

（1）打開Device Studio，新建目錄Bi2Se3_bulk。

（2）從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入數(shù)據(jù)并命名為Bi2Se3_bulk_GGA，坐標(biāo)文件如下：

（3）建立nanodcal自洽計(jì)算所需的輸入文件，（用擴(kuò)胞后的文件）如下：

Simulator→Nanodcal→SCF Calculation→Generate file。設(shè)置參數(shù)K點(diǎn)改成9 9 3，然后點(diǎn)擊Generate file。其他參數(shù)默認(rèn)。產(chǎn)生自洽計(jì)算的輸入文件scf.input及基組文件Bi_LDA-DZP.nad、Se_LDA-DZP.nad，右擊打開open with，可查看如下。

（4）建立nanodcal計(jì)算能帶的輸入文件（原胞），如下：

Simulator→Nanodcal→Analysis→BandStructure→->→Generate file。參數(shù)默認(rèn)，產(chǎn)生能帶計(jì)算的輸入文件BandStrure.input，同樣，右擊打開open with，可查看，如下：

2.5.1.2. 自洽計(jì)算和能帶計(jì)算

連接Nanodcal服務(wù)器：在Job Manager所示界面中點(diǎn)擊設(shè)置按鈕，彈出MachineOptions界面，在該界面選擇中點(diǎn)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(diǎn)擊OK按鈕則在MachineOptions界面中添加了裝有Nanodcal的服務(wù)器。

圖 2-25：連接服務(wù)器操作界面

自洽計(jì)算：在選擇nanodcal服務(wù)器后，選中scf.input右擊run后會出現(xiàn)以下界面如圖所示：

圖 2-26：Run界面

根據(jù)計(jì)算需要設(shè)置參數(shù)后點(diǎn)擊save按鈕保存相應(yīng)的pbs腳本，然后點(diǎn)擊run進(jìn)行計(jì)算。等待計(jì)算完畢后點(diǎn)擊Job Manager所示界面中的Action下的下載按鈕下載NanodcalObject.mat文件

3，能帶計(jì)算：與第2步一樣選中選中BandStructure.input右擊run。等待計(jì)算完畢后點(diǎn)擊Job Manager所示界面中的Action下的下載按鈕下載BandStructure.mat、PhononBandStructure.fig、BandStructure.xml文件。

2.5.1.3. 可視化分析

在Device Studio的Project Explorer區(qū)域選中能帶計(jì)算結(jié)果文件BandStructure.xml→右擊→Show View，如下圖：

圖 2-27：塊體Bi2Se3的GGA能帶結(jié)構(gòu)圖

2.5.2. SOCGGA計(jì)算

2.5.2.1. Device Studio構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)

（1）打開Device Studio，在Bi2Se3_bulk的目錄下復(fù)制結(jié)構(gòu)文件Bi2Se3_bulk_GGA并命名為Bi2Se3_bulk_SOCGGA。

（2）建立nanodcal自洽計(jì)算所需的輸入文件，（用擴(kuò)胞后的文件）如下：

Simulator→Nanodcal→SCF Calculation→Generate file。設(shè)置參數(shù)K點(diǎn)改成9 9 3，自旋方式改成GeneralSpin， 勾選spin-orbital interaction，Rho[0 1]下面修改為0.01，然后點(diǎn)擊Generate file。其他參數(shù)默認(rèn)。產(chǎn)生自洽計(jì)算的輸入文件scf.input及基組文件Bi_LDA-DZP.nad、Se_LDA-DZP.nad，右擊打開open with，可查看，如下。

（3）建立nanodcal計(jì)算能帶的輸入文件，如下：

Simulator→Nanodcal→Analysis→BandSructure→->→Generate file。參數(shù)默認(rèn)，產(chǎn)生能帶計(jì)算的輸入文件BandSructure.input，同樣，右擊打開open with，可查看，如下：

2.5.2.2. 自洽計(jì)算和能帶計(jì)算

自洽計(jì)算：連接服務(wù)器（請參見Device Studio的工具欄中help→help Topic→7.應(yīng)用實(shí)例→7.1Nanodcal實(shí)例）在選擇服務(wù)器后，選中scf.input右擊run。等待計(jì)算完畢后點(diǎn)擊JobManager所示界面中的Action下的下載按鈕下載NanodcalObject.mat文件。

能帶計(jì)算：與第1步自洽計(jì)算一樣選中BandStructure.input右擊run。等待計(jì)算完畢后點(diǎn)擊Job Manager所示界面中的Action下的下載按鈕下載BandStructure.mat、PhononBandStructure.fig、BandStructure.xml文件。

2.5.2.3. 可視化分析

在Device Studio的Project Explorer區(qū)域選中能帶計(jì)算結(jié)果文件BandStructure.xml→右擊→Show View，如下圖：

圖 2-30：塊體Bi2Se3的GGA+SOC能帶結(jié)構(gòu)圖

在計(jì)算中考慮自旋軌道耦合（SOCGGA）對能帶結(jié)構(gòu)有一個顯著的影響，并使在G點(diǎn)的直接帶隙變大。然而，我們并沒有見到任何能帶穿過費(fèi)米能級（最小的SOGGA能隙為0.3eV）,所以Bi2Se3塊體材料是絕緣體。