Nanodcal的学习与应用-Cu-BP半导体的相关计算

Nanodcal的学习与应用-Cu-BP半导体的相关计算

0. 简述

由于参加了鸿之微的培训，培训结束有一个考核，需要完成一个小课题，所以爆肝了一段时间把这个课题搞定了，然后这个过程肯定是要记录下来的，一个是为了交作业，另外一个则是为了记录下来方便以后查阅，就记录在这里了。

1. 建模

1.1 Cu(1 1 1)界面的搭建

1.1.1 模型的导入

通过DS创建一个新的项目之后，直接导入Cu的晶体文件，选择File —> Import —> Import Local，然后在弹出的文件夹中选择Conductor —> Pure_metal，可以看到里面有很多hzw文件格式的文件，这时再选择Cu.hzw 文件，再点击打开，即可将Cu的晶体文件导入。

导入后的Cu晶体文件如下图：

1.1.2 (1 1 1)晶面的建立

(1 1 1)晶面的选取是来自于文章中的计算细节，如下图，参考文章为：

https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab03bb

根据刚刚我们导入得晶体文件(Cu.hzw), 点击Build —> Surface/Slab , 然后在Cleave plane 处将 hkl值修改为(1 1 1)，接下来还要勾选下面的Slab 选项，然后调整Slab的厚度，根据参考文献，作者用了5个原子层，那么这里也需要将Thickness调整到足够的大小，可以点击 ＋ 来一层一层的添加原子，这里可以生成6层原子的模型，后面可以删去一层原子，避免出现原子堆叠的错误。

检查无误之后就可以点击Build ，接下来系统就会自动给生成一个Cu111.hzw文件，这就是我们切好的晶体文件，然后我们可以删去最上面的一层原子，再进行后续的操作，最后得到的模型如下：

1.2 Cu金属电极模型的搭建

1.2.1 模型晶格的转化

以上得到晶体是斜方晶格，对于后续我们需要建立的晶体管模型来说不好操作，所以我们需要先进一步将其转化为正交晶格。点击Convert Crystal :

修改弹出的对话框，将b轴的x参数改为0，如下图：

然后点击Build，这个时候晶格就发生了变化，但是存在部分原子在晶格之外，可以直接点击工具栏的Wrap进行补全：

这样我们就可以得到正交晶格的Cu111模型，接下来就是对晶体进行扩胞处理，根据文献的模型图：

单点击需要扩胞4倍，点击Build —> Redefine Crystal ** ，在弹出的对话框中将矩阵中au对应的值改为4，然后点击Build **，即可获得扩胞后的模型。

1.2.2 镜像对称处理

接下来就可以开始进行镜像对称操作了，通过鼠标框选选中所有的原子，然后点击Mirror Atom：

然后在弹出的对话框中选中yz，并将Distance设置为10Å，然后点击Apply即可：

以下是生成的模型：

可以看到，晶胞的边界并没有将右侧电极包括进来，所以需要进一步调整晶胞参数，首先看一下最右侧的原子的x轴坐标，方便后面确定晶胞a轴的长度：

比如我这里最右侧的Cu原子的x轴坐标为58.33的样子，然后点击工具栏上方的Convert Crystal 进行调整：

在弹出的工具栏中，将a轴参数改为60，确保能将全部原子涵盖，然后根据文献中作者给c轴方向加了20Å的真空层，所以我们需要将c轴的参数设置未30，如图：

随后就可以点击Build 即可应用修改，修改得到的模型并不位于晶胞的中央，可以用工具栏上的Center 来进行居中操作：

1.3 黑磷(BP)模型的建立

黑磷模型的建立就比较简单了，这个模型DS也是自带的，可以直接导入。

选择File —> Import —> Import Local，然后在弹出的文件夹中选择2Dmaterials —> Novelty_material ，然后找到blackphosphorus.hzw 然后导入，导入的模型如图：

根据文献中的介绍：

BP可以通过y-z方向的匹配，在经过轻微的变形之后就与Cu原子在2.31的垂直距离上键合，所以我们这里可以对BP进行适当的处理，然后用BP的z轴与Cu的y轴匹配，这里首先需要查看二者的晶格参数，从前面我们修改Cu的模型时可以看到，Cu电极模型的y轴参数为4.427，而这里BP的模型x轴参数为4.374，这里我选择将BP模型的x轴参数增大到Cu的y轴参数的大小。

在工具栏上电极Stretch Cell ：

在弹出的对话框中将a轴的参数修改为4.427，然后点击Apply

随后就可以对BP进行扩胞处理，根据文献中的结构可以看出，整体BP模型的c轴方向长度为36个原子，那么也就是说我们这里需要扩胞18倍。选择Build —> Redifine Crystal , 然后将矩阵中的cw位置的值改为18，此外au位置的值也需要将其修改为2：

然后点击Build 即可扩胞成功，，然后需要删除一些BP原子，删除如下选中的原子：

剩下的就是我们最后建立好的BP模型：

1.4 Cu-MBP-Cu模型的建立

在此前的操作中我们已经获得了Cu和BP的模型，接下来需要将它们拼接到一起，这里可以直接copy过去，选中BP模型中的全部原子，然后鼠标右键copy，再切换到Cu电极模型，鼠标右键paste。

注意这里复制过去的BP模型的位置是相当不准确的的，所以可以先选中全部的BP原子，然后用工具栏的旋转，移动以及居中工具进行位置变换操作，以获得我们最后所期望的模型：

这里文献中有指出，BP层跟Cu表面的距离为2.31Å，所以在调整距离的时候也需要考虑到这一点，可以查看BP原子与表面Cu原子的z轴坐标来尽量准确的获取模型的位置，最后我得到的模型如下：

♾️这里有一个小问题，就是之前对黑磷的c轴扩胞了18倍，但是实际下来发现如果用扩胞18倍的黑磷包覆在电极表面后续是无法通过DS自带的转化器件识别电极厚度的，这可能会导致后续的计算出错，所以我在这里将黑磷的c轴方向删去了一定数量的原子，让它更短，这样DS就可以正常识别电极的厚度了。

1.5 转化为器件并添加缓冲层

在搭好模型之后，就可以将模型转化为器件了，可以直接点击工具栏的Convert to Device :

在弹出的对话框中勾选Front Electrode和Back Electrode，这个时候如果模型没有问题的话它会自动识别电极的厚度，这里原本的电极厚度为2.556，为了便于收敛，我这里增大了一倍，改为了5.112，如下图：

然后点击Build即可创建一个器件文件，如下图：

接下来就可以添加缓冲层了，点击Simulator —>** Nanodcal** —> Add Buffer，在弹出的对话框中可以按 +/- 来调整缓冲层，我这里在两端电极各添加了5层，如下图：

最后电极Build ，这个器件模型就建立完毕了，接下来就可以准备开始计算了。

2. 计算

计算的步骤在教程里面也给出了，大致上分为三步，如下：

这里并没有囊括电极模型的结构优化过程，是直接用搭建好的模型进行的输运计算，所以在正常计算的时候应该还需要一步结构优化才行。

2.1 自洽计算

首先需要根据建模的结果进行电极的自洽计算，需要使用DS生成输入文件，选择加了缓冲层的模型，然后点击Simulator —>** Nanodcal** —> SCF Calculation ，在弹出的对话框中进行参数设置：

需要修改的参数主要有几个，首先是Electron temperture，这里是Cu的金属电极，将其修改为300K，然后是k-point Sampling ，因为是学习为目的，不考虑精确度，所以将K点修改为1*1*1，将里面的数值全部改为1即可，然后是Iteration control 里面的Mix rate，为了便于收敛，这里将其修改为0.05，最后是Spin type，选择CollinearSpin。所有参数修改完成之后就可以秀点击下方的Generate files，然后DS就会自动生成三个文件夹，分别为Device、FrontElectrode、BackElectrode，每个目录下都会有一个scf.input，里面包括了各项计算的参数，对于FrontElectrode和BackElectrode的输入文件无需再多做修改，直接提交计算即可，鼠标右键点击目录下的scf.input，然后点击run，选择服务器后直接点击下方的run即可。

对于中心区的自洽计算，也就是Device的计算，还需要调整一下scf.input才行，而且Device的计算需要等到两个电极的计算完成之后才能开始。鼠标右键Device目录下的scf.input，然后点击open with，就可以在弹出的对话框中修改计算参数，这里修改的主要目的是为了添加门压，如下图，添加这些参数即可：

修改完成后点击左上角的保存按钮，然后就可以关闭窗口，然后等两个电极计算完成之后，就可以鼠标右键scf.input，然后run开始运行计算了。

FrontElectrode和BackElectrode的scf.input，这两个计算除了最后的坐标信息不一致，前面的参数都是一致的，所以我这里只放了FrontElectrode的scf.input文件：

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%%What quantities should be calculated
calculation.name = scf

%Basic setting
calculation.occupationFunction.temperature = 100
calculation.realspacegrids.E_cutoff = 80 Hartree
calculation.xcFunctional.Type = LDA_PZ81
calculation.k_spacegrids.number = [ 100 1 1 ]'


system.centralCellVectors = [[5.112 0 0]' [0 4.42709 0]' [0 0 30]']
system.spinType = CollinearSpin


%Iteration control
calculation.SCF.monitoredVariableName = {'rhoMatrix','hMatrix','totalEnergy','bandEnergy','gridCharge','orbitalCharge','spinPolar'}
calculation.SCF.convergenceCriteria = {1e-04,1e-04,[],[],[],[],[]}
calculation.SCF.maximumSteps = 200
calculation.SCF.mixMethod = Pulay
calculation.SCF.mixRate = 0.1
calculation.SCF.mixingMode = H
calculation.SCF.startingMode = H
%calculation.SCF.donatorObject = NanodcalObject.mat



%Basic set
system.neutralAtomDataDirectory = '../'
system.atomBlock = 20
AtomType OrbitalType X Y Z SpinPolarization
Cu  LDA-DZP  4.47300528  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  1.91698415  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  0.63899472  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  3.19497358  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  1.91698415  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  4.47300528  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  3.19497358  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  0.63899473  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  4.47300528  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  1.91698415  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  3.19497358  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  0.63899472  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  4.47300528  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  1.91698415  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  0.63899472  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  3.19497358  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  1.91698415  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  4.47300528  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  3.19497358  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  0.63899473  4.05816116  17.01126272  1
end


Device目录下的scf.input 如下：

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%%What quantities should be calculated
calculation.name = scf


%Basic setting
calculation.occupationFunction.temperature = 300
calculation.realspacegrids.E_cutoff = 80 Hartree
calculation.xcFunctional.Type = LDA_PZ81
calculation.k_spacegrids.number = [ 1 1 1 ]'


%Description of electrode
system.numberOfLeads = 2
system.typeOfLead1 = front
system.voltageOfLead1 = 0
system.objectOfLead1 = ../FrontElectrode/NanodcalObject.mat
system.typeOfLead2 = back
system.voltageOfLead2 = 0
system.objectOfLead2 = ../BackElectrode/NanodcalObject.mat
system.numberOfGates = 2
system.typeOfGate1 = 'top'
system.voltageOfGate1 = [0;4;0]
system.typeOfGate2 = 'bottom'
system.voltageOfGate2 = [0]


%Contour integral
%calculation.complexEcontour.lowestEnergyPoint = 1.5 Hartree
calculation.complexEcontour.numberOfPoints = 40
calculation.realEcontour.interval = 0.0272114
calculation.realEcontour.eta = 0.0272114


system.centralCellVectors = [[57.0617 0 0]' [0 4.42709 0]' [0 0 30]']
system.spinType = CollinearSpin


%Iteration control
calculation.SCF.monitoredVariableName = {'rhoMatrix','hMatrix','totalEnergy','bandEnergy','gridCharge','orbitalCharge','spinPolar'}
calculation.SCF.convergenceCriteria = {1e-04,1e-04,[],[],[],[],[]}
calculation.SCF.maximumSteps = 200
calculation.SCF.mixMethod = Pulay
calculation.SCF.mixRate = 0.05
calculation.SCF.mixingMode = H
calculation.SCF.startingMode = H
%calculation.SCF.donatorObject = NanodcalObject.mat



%Basic set
system.neutralAtomDataDirectory = '../'
system.atomBlock = 204
AtomType OrbitalType X Y Z SpinPolarization
Cu  LDA-DZP  4.47296302  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  9.58492078  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  14.69687853  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  7.02894190  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  12.14089966  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  17.25285742  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  5.75095246  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  10.86291023  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  15.97486798  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  8.30693134  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  13.41888912  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  18.53084687  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  7.02894190  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  12.14089966  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  17.25285742  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  4.47296302  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  9.58492078  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  14.69687853  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  8.30693134  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  13.41888910  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  18.53084687  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  5.75095247  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  10.86291023  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  15.97486798  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  4.47296302  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  9.58492078  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  14.69687853  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  7.02894190  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  12.14089966  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  17.25285742  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  8.30693134  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  13.41888910  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  18.53084687  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  5.75095246  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  10.86291023  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  15.97486798  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  4.47296302  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  9.58492078  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  14.69687853  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  7.02894190  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  12.14089966  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  17.25285742  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  5.75095246  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  10.86291023  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  15.97486798  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  8.30693134  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  13.41888910  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  18.53084687  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  7.02894190  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  12.14089966  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  17.25285742  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  4.47296302  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  9.58492078  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  14.69687853  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  8.30693134  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  13.41888910  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  18.53084685  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  5.75095247  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  10.86291023  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  15.97486798  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  52.58873071  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  47.47677295  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  42.36481518  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  50.03275182  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  44.92079407  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  39.80883630  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  51.31074127  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  46.19878351  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  41.08682574  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  48.75476237  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  43.64280462  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  38.53084687  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  50.03275182  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  44.92079407  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  39.80883630  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  52.58873071  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  47.47677295  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  42.36481518  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  48.75476238  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  43.64280463  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  38.53084687  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  51.31074126  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  46.19878350  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  41.08682573  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  52.58873071  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  47.47677295  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  42.36481518  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  50.03275182  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  44.92079407  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  39.80883630  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  48.75476238  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  43.64280463  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  38.53084687  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  51.31074127  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  46.19878351  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  41.08682574  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  52.58873071  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  47.47677295  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  42.36481518  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  50.03275182  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  44.92079407  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  39.80883630  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  51.31074127  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  46.19878351  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  41.08682574  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  48.75476238  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  43.64280463  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  38.53084687  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  50.03275182  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  44.92079407  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  39.80883630  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  52.58873071  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  47.47677295  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  42.36481518  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  48.75476238  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  43.64280463  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  38.53084687  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  51.31074126  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  46.19878350  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  41.08682573  4.05816116  17.01126272  1
P  LDA-DZP  6.99439600  1.85671617  19.32126272  1
P  LDA-DZP  6.99439696  2.57036342  21.48707806  1
P  LDA-DZP  8.65104749  0.35682450  19.32126272  1
P  LDA-DZP  8.65104178  4.07026208  21.48707998  1
P  LDA-DZP  10.30769423  1.85671890  19.32126272  1
P  LDA-DZP  10.30769423  2.57036220  21.48707806  1
P  LDA-DZP  11.96434860  0.35682411  19.32126272  1
P  LDA-DZP  11.96434287  4.07026208  21.48707998  1
P  LDA-DZP  13.62099532  1.85671879  19.32126272  1
P  LDA-DZP  13.62099532  2.57036437  21.48707998  1
P  LDA-DZP  15.27764396  0.35682340  19.32126272  1
P  LDA-DZP  15.27764967  4.07026208  21.48707998  1
P  LDA-DZP  16.93429640  1.85671844  19.32126272  1
P  LDA-DZP  16.93429640  2.57036509  21.48707998  1
P  LDA-DZP  18.59094694  0.35682403  19.32126272  1
P  LDA-DZP  18.59094503  4.07026352  21.48707998  1
P  LDA-DZP  20.24759748  1.85671820  19.32126272  1
P  LDA-DZP  20.24759748  2.57036509  21.48707998  1
P  LDA-DZP  21.90424803  0.35682388  19.32126272  1
P  LDA-DZP  21.90424803  4.07026208  21.48707998  1
P  LDA-DZP  23.56089667  1.85672021  19.32126272  1
P  LDA-DZP  23.56089667  2.57036483  21.48707998  1
P  LDA-DZP  25.21754721  0.35682343  19.32126272  1
P  LDA-DZP  25.21754721  4.07026255  21.48707998  1
P  LDA-DZP  26.87419774  1.85671951  19.32126272  1
P  LDA-DZP  26.87419774  2.57036460  21.48707998  1
P  LDA-DZP  28.53084448  0.35682221  19.32126272  1
P  LDA-DZP  28.53084448  4.07026018  21.48707998  1
P  LDA-DZP  30.18749883  1.85671963  19.32126272  1
P  LDA-DZP  30.18749883  2.57036509  21.48707998  1
P  LDA-DZP  31.84414556  0.35682251  19.32126272  1
P  LDA-DZP  31.84414556  4.07026018  21.48707998  1
P  LDA-DZP  33.50079611  1.85671987  19.32126272  1
P  LDA-DZP  33.50079994  2.57036460  21.48707998  1
P  LDA-DZP  35.15744665  0.35682146  19.32126272  1
P  LDA-DZP  35.15744665  4.07026114  21.48707998  1
P  LDA-DZP  36.81409720  1.85672118  19.32126272  1
P  LDA-DZP  36.81409720  2.57036509  21.48707998  1
P  LDA-DZP  38.47074393  0.35682343  19.32126272  1
P  LDA-DZP  38.47074393  4.07026161  21.48707998  1
P  LDA-DZP  40.12739827  1.85672118  19.32126272  1
P  LDA-DZP  40.12739447  2.57036318  21.48707998  1
P  LDA-DZP  41.78404501  0.35682340  19.32126272  1
P  LDA-DZP  41.78404882  4.07026064  21.48707998  1
P  LDA-DZP  43.44069555  1.85671712  19.32126272  1
P  LDA-DZP  43.44069555  2.57036292  21.48707998  1
P  LDA-DZP  45.09734609  0.35682403  19.32126272  1
P  LDA-DZP  45.09734609  4.07026208  21.48707998  1
P  LDA-DZP  46.75399664  1.85671772  19.32126272  1
P  LDA-DZP  46.75399664  2.57036365  21.48707998  1
P  LDA-DZP  48.41064336  0.35682128  19.32126272  1
P  LDA-DZP  48.41064718  4.07026161  21.48707998  1
P  LDA-DZP  50.06729773  1.85671903  19.32126272  1
P  LDA-DZP  50.06729773  2.57036437  21.48707998  1
Cu  LDA-DZP  3.19497358  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  3.19497358  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  3.19497358  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  3.19497358  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  3.19497358  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  1.91698415  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  1.91698415  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  1.91698415  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  1.91698415  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  1.91698415  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  0.63899471  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  0.63899473  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  0.63899471  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  0.63899471  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  0.63899473  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  53.86672015  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  53.86672015  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  53.86672015  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  53.86672015  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  53.86672015  4.05816116  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  55.14470959  0.36892343  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  55.14470959  1.84461853  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  55.14470959  3.32031360  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  55.14470959  0.36892343  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  55.14470959  1.84461853  17.01126272  1
Cu  LDA-DZP  56.42269903  2.58246608  8.66347065  1
Cu  LDA-DZP  56.42269902  4.05816116  10.75041865  1
Cu  LDA-DZP  56.42269903  1.10677098  12.83736668  1
Cu  LDA-DZP  56.42269903  2.58246608  14.92431470  1
Cu  LDA-DZP  56.42269902  4.05816116  17.01126272  1
end

2.2 势函数分析

势分布函数的计算应该不是必须的，但是可以验证一下缓冲区的设定是否合适，在此前已经做完自洽计算的基础上，选择Device模型，然后点击Simulator —>** Nanodcal** —> Analysis，然后选择Potential。添加到选择的计算，然后点击Generate files：

生成了potential.input之后可以做一下修改，采用教程中所用的Vdh势，鼠标右键potential.input，然后修改一下whatPotential，修改后的potential.input文件如下:

1
2
3
4
5
6
7
8
system.object = NanodcalObject.mat
calculation.name = potential
calculation.control.energyUnit = eV
calculation.potential.whatPotential = 'Vdh'
%calculation.potential.plot = true
%calculation.control.xml = true
calculation.control.dsf = 1

修改完成之后就可以提交计算了，计算结束之后，除了更新的log.txt文件，Device目录下还会多一个CoulombPotential.dsf文件，鼠标右键这个文件，选择show view，然后调整一下绘图细节，选择1D —>** average in yz plane**，即可以出现如下的图：

2.3 输运性质计算

2.3.1 不同偏压下的I-V曲线

点击Simulator —>** Nanodcal** —> Analysis，然后选择IVcurve：

然后点击Generate files，这个时候系统就会为我们创建一个ivcurve.input，对这个文件并不需要修改，可以直接进行提交计算，这个时候如果提交计算，那么计算的是0V偏压下的I-V值。

但是我们需要计算不同偏压下的I-V曲线，所以我们要创建不同的文件夹来分别进行计算，通过DS右下角的putty按钮，可以连接到远程服务器进行操作：

点击后会自动进入到我们正在计算的Device目录，然后可以在这个目录下创建四个目录，在命令行页面输入：

1
mkdir 01 02 03 04

目录分别对应着0.1、0.2、0.3、0.4V的偏压，然后再将当前目录下的scf.input，scf.slrum，ivcurve.input，ivcurve.slrum四个文件复制到对应的目录，可以用以下的指令来快速实现：

1
2
3
for i in 0*; do
cp scf.* ivcurve.* $i
done

将输入文件依次复制到对应的目录之后，还需要修改scf.input来实现不同的偏压，可以用vim指令来修改scf.input，以0.1V偏压为例，需要修改的地方有以下的内容：

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% 设置偏压
system.voltageOfLead1 = 0.05
system.voltageOfLead2 = -0.05

% 修改相对路径，在此前的自洽基础上继续计算
system.objectOfLead1 = ../../FrontElectrode/NanodcalObject.mat
system.objectOfLead2 = ../../BackElectrode/NanodcalObject.mat

calculation.SCF.donatorObject = '../NanodcalObject.mat'

system.neutralAtomDataDirectory = '../../'

以下是我修改之后的scf.input文件：

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%%What quantities should be calculated
calculation.name = scf


%Basic setting
calculation.occupationFunction.temperature = 300
calculation.realspacegrids.E_cutoff = 80 Hartree
calculation.xcFunctional.Type = LDA_PZ81
calculation.k_spacegrids.number = [ 1 1 1 ]'


%Description of electrode
system.numberOfLeads = 2
system.typeOfLead1 = front
system.voltageOfLead1 = 0.05
system.objectOfLead1 = ../../FrontElectrode/NanodcalObject.mat
system.typeOfLead2 = back
system.voltageOfLead2 = -0.05
system.objectOfLead2 = ../../BackElectrode/NanodcalObject.mat
system.numberOfGates = 2
system.typeOfGate1 = 'top'
system.voltageOfGate1 = [0;4;0]
system.typeOfGate2 = 'bottom'
system.voltageOfGate2 = [0]


%Contour integral
  %calculation.complexEcontour.lowestEnergyPoint = 1.5 Hartree
calculation.complexEcontour.numberOfPoints = 40
calculation.realEcontour.interval = 0.0272114
calculation.realEcontour.eta = 0.0272114


system.centralCellVectors = [[57.0617 0 0]' [0 4.42709 0]' [0 0 30]']
system.spinType = CollinearSpin


%Iteration control
calculation.SCF.monitoredVariableName = {'rhoMatrix','hMatrix','totalEnergy','bandEnergy','gridCharge','orbitalCharge','spinPolar'}
calculation.SCF.convergenceCriteria = {1e-04,1e-04,[],[],[],[],[]}
calculation.SCF.maximumSteps = 200
calculation.SCF.mixMethod = Pulay
calculation.SCF.mixRate = 0.05
calculation.SCF.mixingMode = H
calculation.SCF.startingMode = H
calculation.SCF.donatorObject = '../NanodcalObject.mat'

%Basic set
system.neutralAtomDataDirectory = '../../'
system.atomBlock = 214
AtomType OrbitalType X Y Z SpinPolarization
% 原子坐标等信息略去。。。

除了修改偏压的相关参数外，还需要修改引用的一些文件的路径，设置完成之后就可以在命令行中输入：

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sbatch scf.slrum

在自洽计算完成之后，就可以进一步计算偏压下的电流大小，以下是ivcurve.input：

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calculation.name = ivc
calculation.control.temporaryDirectory = ./
calculation.IVCurve.systemObjectStatus = 'AllCalculated'
calculation.IVCurve.systemObjectFiles = NanodcalObject.mat
calculation.IVCurve.kSpaceGridNumber = [300 1 1]'
calculation.control.xml = true

在命令行中输入：

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sbatch ivcurve.slrum

计算完成后，在服务器中打开matlab，依次输入：

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load –mat CurrentVoltageCurves.mat
% 查看各电极的电流大小
data
% 查看不同自旋的电流大小
data.I1_spinDecomposed
data.I2_spinDecomposed

这样就可以依次提取计算结果数据并作图，如下图，便是我根据计算结果绘制的I-V曲线。

2.3.2 0V、0.2V、0.3V偏压下的电子透射谱计算

点击Simulator —>** Nanodcal** —> Analysis，然后选择Transmission，修改K点的n1为300，然后调整能量范围为-0.8到0.8eV，如下图：

然后点击Generate files，这个时候系统就会为我们创建一个Transmission.input文件，对这个文件并不需要修改，可以直接进行提交计算，然后这个时候计算的也是自洽计算时偏压大小下的电子透射谱，以下时我计算所用的Transmission.input文件：

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system.object = NanodcalObject.mat
calculation.name = transmission
calculation.transmission.kSpaceGridNumber = [ 300 1 1 ]'
calculation.transmission.energyPoints = -0.8:0.004:0.8
%calculation.transmission.plot = true
calculation.control.xml = true

计算完成后DS的Device目录下会生成一个Transmission.xml文件，直接鼠标右键该文件，然后选择show view即可查看该偏压下的电子透射谱。

以下是我的计算结果：

门压为4V，0V偏压下的Transmission：

门压为4V，0.2V偏压下的Transmission：

门压为4V，0.2V偏压下的Transmission：

#DeviceStudio #Nanodcal #Semiconductor
Nanodcal的学习与应用-Cu-BP半导体的相关计算
http://phoenixjason.cn/2023/05/28/20230528Nanodcal的学习与应用-Cu_BP的半导体计算/
作者
Jason
发布于
2023年5月28日
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