创建Si-Si3N4界面模型

在本教程中，您将学习如何使用 QuantumATK 构建复杂的界面。特别地，我们将考虑在硅和氮化硅之间创建界面。

提示

本教程使用特定版本的QuantumATK创建，因此涉及的截图和脚本参数可能与您实际使用的版本略有区别，请在学习时务必注意。

不同版本的QuantumATK的py脚本可能不兼容；
较新的版本输出的数据文件默认为hdf5；
老版本的数据文件为nc文件，可以被新版本读取。

注意

参考文献 [YWD+09] 中已详细研究了 β-Si₃N₄(0001)/Si(111) 界面，本例我们将采用该文建议的结构。Zhao 和 Bachlechner 提出了早期的 β-Si₃N₄(0001)/Si(111) 晶体界面模型，但该模型包含悬空键，与实验结果不符。您将在此处构建的一个所有键都饱和的界面。

为了找到适合的 β-Si₃N₄ 初始结构，请访问 American Mineralogist Crystal Structure Database，在通用搜索框中输入“si₃n₄”。结果显示三个匹配项–由 P.Yang 等人提供的标题为“β-Si₃N₄”的那个结构正是您要找的 β-Si₃N₄（另外两个是氮化硅和 α-Si₃N₄）。单击“Download CIF data”，将 CIF 文件保存在方便的位置。

或者，您还可以使用 Crystallography Open Database，在文本搜索区输入“si3n4”。

在任何一种方法下，请务必下载空间群为“P 63/m”的结构。将下载的文件重命名为 Si3N4.cif，以便识别。

提示

新版本的QuantumATK包含Database模块，可以直接在线检索 Materials Project 和 Crystallography Open Database，下载结构和性质数据，无需按照以上操作去网页检索。

准备：两个晶体

第 1 步：在 QuantumATK 里，打开 Builder ，点击 Add Add From Files，导入已下载的 CIF 文件（您也可以将文件拖放到 Builder）。晶体的方向已经很合适了，Z 轴指向 001 方向（晶体的 C 轴），适用于 Interface Builder。

第 2 步：接下来，在 Builder 里，点击 Add Add From Databases，在搜索过滤框输入“silicon”锁定 Silicon(alpha)。点击右下角的按钮，将硅晶体添加到 Builder Stash。

第 3 步：硅晶体需要被切分以创建一个 (111) 界面。

打开右手边插件面板中的 Builders Surface(cleave)。输入密勒指数 h=1，k=1，l=1。这将定义表面 C 轴，且其平行于 Z。

此外，表面模型要求我们在 Si 界面的终止处一个有“长”键（沿 C 方向），因此您应该在列表中选择索引为 1 的原子；这个原子将定义最外层的表面层。

点击 Next Next Finish（Cleaver 中的其他选项与本例无关）。

现在您已经有了两个构件–是时候把它们结合在一起了。

创建界面

第 4 步：如您所见，Interface Builder 会自动计算出它需要在 AB 平面中重复六边的 Si（111）表面单元 2×2 倍以匹配六边 Si₃N₄ 单元。一旦这样操作，应变会非常小（小于1％），这当然就是它是一个有趣的界面的原因。因此，不需要再对表面单元进行调整，但是一般情况下您可以单击“Select Surface Cells”探索可能的选择。

第 5 步：然而，两个表面确实需要在 A/B 平面中相对于彼此平移。为实现此目的，请单击 “Shift Surfaces”，切换到分数坐标，A 和 B 都输入 -0.16666666。模型的预览会立刻更新在 Builder 的 3D 窗口；

提示

您可以在 The Interface Builder in QuantumATK 的技术说明中了解更多有关创建界面的信息。

提示

查阅文章，您会发现在 Si₃N₄ 层的底部（最接近界面一层，原子26，29，30（将鼠标放在原子上可以查看工具提示的数字））的“Si 三角”应该与最后的 Si(111) 原子匹配，并位于沿 C 向的长键上，使它们形成一个四面体。这种排列意味着精确地落在三角形正中间且分数坐标为（2/3,2/3）的第 N 个原子（原子数27）应该在坐标为（1/2,1/2）的 Si 原子的正上方。因此，（-1/6，-1/6）的表面位移是很有必要的。

先不要关闭“Shift Surfaces”小插件。如您所见，这两个表面有点太靠近了。一个 0.7 埃的位移（你需要改变回它的笛卡尔坐标）是合适的，可以使在界面上的 Si-Si 和 Si-N 的键长度与在两个相应的体材料中相似。

关闭 Shift Surfaces 对话框。

第 6 步：在“First”窗口下的“Add/Remove layer”点击两次按钮给 Si(111) 添加两层，然后给 Si₃N₄ 至少添加 4 层（必须是偶数倍），取决于您希望得到的 Si₃N₄ 的厚度。

最终调整

您还没完成。Yang 等人的重要观测是需要移动界面上的一个 N 原子使所有键都饱和。所讨论的原子正是用于表面位移的原子，位于 Si 三角形中间（原子数27）。

第 7 步：单击选中这个原子，按下键盘上的 Del 键删除它；

第 8 步：通过选中三个原子（点击第一个，然后按住 Ctrl 键并点击其他两个原子；原子编号为 28，29，30），然后单击左侧工具栏中的“Centroid”插件，在 Si(111) 顶层的 Si 三角形中间插入一个新原子。插入原子的位置是正确的，但它是 Si 原子，利用周期表工具 将其更改为 N 原子。

此时，您有一个在 Si(111) 和 β-Si3N4(0001) 之间的单一界面，可以继续下一部分。

加倍：埋层模型

提示

人们还可以进一步采取该步骤创建嵌入 Si（111）的 β-Si₃N₄(0001)薄层，即双界面模型。通过镜像单一界面就可以很容易地实现。

第 9 步：根据您想要添加多少层 Si₃N₄，当前模型的大小将会不同。

将鼠标放在 C 向的最后一层上，并记下这些原子的 Z坐标。在本例中（对于Si₃N₄）该值为 20.5382 埃。
打开 Coordinate Tools Mirror。为正常的 N 选择 Z 方向，但是为了获得正确的镜像对称构型，您应该将 P 放在最后一层。因此，将上一步的值输入 P 的第三个框，然后勾选“Copy”，点击“Apply”。
下一步，使用 Bulk Tools Fit cell 调整晶胞。点击“Apply”之前，请确保仅勾选了 C，因为您不想更改 A 或 B 中的任何内容。
在用于镜像操作的参考层，所有原子现在都加倍了。因此，作为最后的操作，使用 Selection Tools Close Neighbors 选中所有重叠原子并删除。

界面作为器件模型

无论您选择单一的还是双倍模型，构型仍然表示为周期性结构。然而在 QuantumATK，您可以计算电子开放系统，相反地其他材料科学软件包中使用周期模型。这意味着您可以计算单界面（或两个）的性质，而不是不同材料的周期性重复堆叠。

在 QuantumAT 中执行计算的边界条件是所谓的 device configurations。为将当前结构转换为器件：

打开 Device Tools Device From Bulk。
由于您添加了一些 Si(111) 层，工具可以因为存在重复的图案自动找到电极长度。
单击“OK”以创建器件。

注意

最后要说明的是，虽然这里没有涉及到，但应该指出结构需要被优化，尤其是界面中的 Si 原子。如果您这样做了，将看到所有 Si 原子都形成了完全饱和的键。想要在未弛豫的结构中观察，需要把结构发送到 Viewer，将要绘制的键范围增加到 1.3 埃，您将看到所有 Si 原子都有 4 个键。

参考

[YWD+09] M. Yang, R. Q. Wu, W. S. Deng, L. Shen, Z. D. Sha, Y. Q. Cai, Y. P. Feng, and S. J. Wang. Electronic structures of β-si3n4(0001)/si(111) interfaces: Perfect bonding and dangling bond effects. Journal of Applied Physics, 2009. doi:10.1063/1.3072625.

英文原文：http://docs.quantumwise.com/tutorials/sisi3n4_interface.html

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