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atk:分子器件模拟 [2017/03/05 17:54] – [IV特性分析] dong.dong | atk:分子器件模拟 [2021/12/16 11:23] (当前版本) – ↷ 链接因页面移动而自动修正 59.51.24.40 | ||
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====== 分子器件模拟 ====== | ====== 分子器件模拟 ====== | ||
- | 本教程专注于分子器件的计算和分析。本教程中研究的经典器件由一个对苯二硫酚(DTB)与两个金电极表面构成,这个结构在很多文献里都有报道。 | + | 本教程专门介绍分子器件的计算和分析,研究的经典器件由一个对苯二硫酚(DTB)与两个金电极表面构成,这个结构在很多文献里都有报道。 |
- | 本教程中的计算时间很长,作为入门的ATK量子输运计算教程,请参考: | + | 本教程中的计算时间很长,作为入门的QuantumATK量子输运计算教程,请参考: |
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- | 本教程中使用的ATK-DFT方法参见ATK的使用手册。 | + | 本教程中使用的ATK-DFT方法参见QuantumATK的使用手册。 |
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=== 注意 === | === 注意 === | ||
- | 这个几何结构未经优化。这对本教程中要讨论的概念没有影响,但对于实际研究中的计算,结构优化至关重要。要了解如何弛豫器件几何结构,请参见: | + | 这个几何结构未经优化。这对本教程中要讨论的概念没有影响,但对于实际研究中的计算,结构优化至关重要。要了解如何弛豫器件几何结构,请参见:[[atk: |
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- | 并行计算可以大幅度提升计算速度,要了解如何并行计算,请参考:[[atk: | + | 并行计算可以大幅度提升计算速度,要了解如何并行计算,请参考:[[atk: |
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要同时将结构显示在图上,只需要将 DeviceConfiguration 数据对象拖动到上面已经显示了本征态的Viewer窗口里。 | 要同时将结构显示在图上,只需要将 DeviceConfiguration 数据对象拖动到上面已经显示了本征态的Viewer窗口里。 | ||
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注意到,所有的态都是关于苯分子平面反对称的,这说明这几个态都是苯分子的 $\pi$-轨道,由与平面垂直的碳原子 6 个 pz 轨道线性组合而成的,因此这样的 $\pi$-轨道共有 6 个。 | 注意到,所有的态都是关于苯分子平面反对称的,这说明这几个态都是苯分子的 $\pi$-轨道,由与平面垂直的碳原子 6 个 pz 轨道线性组合而成的,因此这样的 $\pi$-轨道共有 6 个。 | ||
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<WRAP center info 100%> | <WRAP center info 100%> | ||
- | 前面两个能量处只有一个透射本征态主导,最后一个能量处则有两个主导的透射本征值。后面会讨论为什么他们没有加在一起给出总的透射谱 T(E)。 | + | 前面两个能量处只有一个透射本征态主导,最后一个能量处则有两个主导的透射本征值。后面会讨论为什么他们加在一起没有得到总的透射谱 T(E)。 |
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- | * 选中第一个本征值,点击 Eigenstates 按钮。稍等片刻,第一个本征值对应的本征态就计算好了,Viewer 窗口自动弹出。适当调整 isovalue 数值,得到漂亮的图。 | + | * 选中第一个本征值,点击 Eigenstates 按钮。稍等片刻,对应的本征态就计算好了,Viewer 窗口自动弹出。适当调整 isovalue 数值,得到漂亮的图。 |
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勾选 // | 勾选 // | ||
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每条透射谱曲线都对应了一个偏压点。某一偏压下的能量窗口在透射谱曲线上用蓝色标识。用鼠标指向某一偏压点时(红色圆点),对应的透射谱和谱电流曲线将被点亮显示。 | 每条透射谱曲线都对应了一个偏压点。某一偏压下的能量窗口在透射谱曲线上用蓝色标识。用鼠标指向某一偏压点时(红色圆点),对应的透射谱和谱电流曲线将被点亮显示。 | ||
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+ | ===注意=== | ||
+ | 要特别注意谱电流曲线:所有的对总电流的贡献都必须包含在能量窗口内,此时IV计算才是可靠的。如果实际情况并非如此,则需要使用更大的能量窗口重新进行IV计算。 | ||
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+ | dI/dV 在1.6V 处有峰,这是因为透射谱上的共振峰在这个偏压时开始进入偏压窗口。 | ||
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+ | ==== 1.6 V 偏压时的 PLDOS ==== | ||
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+ | 要研究 偏压为 1.6 V 时分子器件的电子态性质,可以计算投影局域态密度(PLDOS),和零偏压下类似。 | ||
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+ | * 打开一个新的 **Script Generator** 窗口,添加两个单元: | ||
+ | * Analysis from file | ||
+ | * Analysis -> PorjectedLocalDensityOfStates | ||
+ | * 在 Analysis from file 单元里选择 '' | ||
+ | * 在 PLDOS 分析单元里,将能量窗口 设为 -3 到 3 eV,设置 k 点为 3x3; | ||
+ | * 将输出文件名设置 为 '' | ||
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+ | 运行脚本后,使用 **Projected Local Density of States** 工具显示结果,如下图。 | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | 和零偏压相比,-1.5 eV 处的共振分裂成了两个,分别位于 -0.8 和 -2 eV,这个现象在透射谱上也可以看到。此外,我们还可以注意到 -0.8 的峰接近右侧电极,-2.0 eV 处的峰接近左侧电极。这种分裂来源于分子区域的电势降落(有外加偏压时)。 | ||
- | ==== 1.6 V 时的PLDOS ==== | ||
==== 计算电压降 ==== | ==== 计算电压降 ==== | ||
+ | 现在我们来分析偏压 1.6 V 时的电压降和诱导电荷密度。首先我们计算 1.6 V 和 0 V 下的 ElectrostaticDifferencePotential 和 ElectronDifferenceDensity。 | ||
+ | |||
+ | * 在 **Script Generator** 中,添加 三个计算单元: | ||
+ | * Analysis from File | ||
+ | * Analysis -> ElectrostaticDifferencePotential | ||
+ | * Analysis -> ElectronDifferenceDensity | ||
+ | * 在 Analysis from File 里设置 '' | ||
+ | * 将默认输出文件名改为 '' | ||
+ | * 将脚本发送至 **Job Manager** | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | 重复一次这个计算,但使用 0V 的自洽结果,保存文件为 '' | ||
+ | |||
+ | 为使用 1.6V 和 0V 的 ElectrostaticDifferencePotential 和 ElectronDifferenceDensity 结果计算电压降,我们使用右侧的GridOperations工具。 | ||
+ | |||
+ | * 按住 '' | ||
+ | * 点击打开 **GridOperations** 工具; | ||
+ | * 设置函数为 A1 - B1; | ||
+ | * 保存为 '' | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | 重复上述步骤,计算电压诱导的电荷密度。 | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | 现在计算结果分别保存于 '' | ||
+ | |||
+ | * 选择 '' | ||
+ | * 设置作图模式为 CutPlanes; | ||
+ | * 将结构(DeviceConfiguration)拖动到此打开的窗口里; | ||
+ | * 选择 '' | ||
+ | |||
+ | 在 Property 里详细调节图示的细节。 | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | 如果设置如上图,则得到下面的图: | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | 将电压降进行一维作图通常比较有用:选中 EDP 中的 $f(x)$ 图标,点击右侧的 **1D Projector** 工具。投影方法改为 // | ||
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+ | {{ : | ||
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+ | 此处的一维投影作图,C轴取值范围为 0 ~ 1,对应了真实的 z 方向长度。 | ||
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+ | <WRAP center info 100%> | ||
+ | ===说明=== | ||
+ | 两个图都显示了器件区域 1.6V 的电压降。很明显,电压降主要发生在分子附近,而不是电极区域。电压降对应了量子电阻。分子区域的电压降也解释了非零偏压下的共振峰的分裂。 | ||
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+ | ===== 参考 ===== | ||
+ | * K. Stokbro, J. Taylor, M. Brandbyge, J.-L. Mozos, and P. Ordejón. Theoretical study of the nonlinear conductance of di-thiol benzene coupled to au(1 1 1) surfaces via thiol and thiolate bonds. Computational Materials Science, 27(1–2): | ||
+ | * K.S. Thygesen and K.W. Jacobsen. Molecular transport calculations with wannier functions. Chemical Physics, 319(1–3): | ||
+ | * 英文原文:http:// | ||