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器件体系自旋极化的NEGF计算收敛指南
版本：O-2018.06
QuantumATK 为自旋极化电子传输计算提供了一种市场领先且可实现高度优化的非平衡格林函数（NEGF）方法。正如在 NEGF Convergence Guide 中关于自旋非极化器件的讨论，为获得电子基态，有时实现快速和可靠的 NEGF 收敛计算也是一个很大的挑战。该指南也提供了处理自旋极化器件如磁隧道结（MTJ）时的其他指导，您还可参考 Spin transport in magnetic tunnel junctions。
研究的系统
- 普通列表项目Fe(001)|MgO 参考结构
- Fe(001)|MgO|Fe(001) 磁隧道结（MTJ）
参考 Fe|MgO 结构的计算参数
- $1 \times 1$ 横向晶胞 (001)|MgO
- 介电层：13 个 MgO 单层
- 铁磁金属：7 Fe 单层
- 模守恒赝势：SG15
- LCAO 基组：
Medium - K 点网格：$21 \times 21 \times 1$
- 网格截断：$150$ Hartree
- SCF 阈值：$10^{−5}$ Hartree
- 力的阈值：$0.05$ eV/Å
- 结构优化：Fe 和 MgO 结构和结构参数的完全弛豫。
Fe|MgO|Fe 器件的计算参数
基础参数
- $2 \times 2$ 横向晶胞 Fe(001)|MgO|Fe(001) 结
- 介电层：13 个 MgO 单层
- 模守恒赝势：SG15
- LCAO 基组：
Medium - 网格截断：$150$ Hartree
- SCF 阈值：$10^{−5}$ Hartree
取自参考 Fe(001)|MgO 结构的结构参数
- 块体 Fe 的晶格参数：$a_{\rm Fe} = 3.00$ Å
- Fe-O 间隔距离：$d_{\rm Fe-O} = 2.11$ Å
- Mg-O 间隔距离：$d_{\rm Mg-O} = 2.18$ Å
已更改的参数
- 电极
- 长度：4 或 6 个单层
- 普通列表项目偏压
- 压力范围：0.0，0.05 和 0.1 V，正如 IVCharacteristics 研究模块中的设置。
- K 点取样
- 器件计算：$11\times 11$ 和 $15\times 15$
- 电极计算：$11\times 11\times 151$ 和 $15\times 15\times 151$
- 混合参数
- 阻尼因子：0.1 和 0.05。
- 历史步数：20 和 12。
自能矩阵的计算
- 格林函数矩阵
$\Sigma^{\rm L}$(\Sigma^{\rm R}) 是左（右）电极的自能矩阵。
1.方法简介
- 平衡部分
RecursionSelfEnergy：迭代格式
- 非平衡部分
KrylovSelfEnergy：迭代 Krylov 子空间法。参数 $\lambda_{\rm min}$ 决定了子空间的大小——只包含衰减比 $\lambda_{\rm min}$ 慢的模式。DirectSelfEnergy：直接对角化方法——包含所有模式。
2.实用方法
- 实际上，
RecursionSelfEnergy和SparseRecursionSelfEnergy是为平衡和非平衡计算选择的方法。 - 通过使用
DevicePerformanceProfile分析器件计算的性能，可以就速度和内存占用为平衡和非平衡计算选择最佳方法。
零和有限偏压收敛：混合参数
- 总则
- 所有计算的收敛都与所使用的参数无关。
- 收敛几乎不受计算参数变化的影响。
- 有限偏压的收敛速度远快于零偏压，因为初始态是最接近偏压的密度矩阵。
- 如果与默认参数（较低的
Damping_factor和number_of_history_steps）相比，较少使用激进的混合参数，则零（有限）偏压下的收敛会稍慢（更快）。
- 沿 A 和 B 方向将
k_point_sampling从 $11\times 11$ 增加到 $15\times 15$ 会使零偏压下有轻微的变慢，但在有限偏压处加快。
零和有限偏压收敛：电极长度和 k 点取样
- 将电极长度从 4 层增加到 6 层会导致零偏压下的收敛速度稍慢。有限偏压下的收敛则非常相似。
- 6 层电极计算比 4 层电极计算要消耗更多的内存。在内存不足的情况下，可以通过重新评估在每个 SCF 步骤的自能
storage_strategy = NoStorage（）来减少内存占用量。
电极验证器
- 电极验证器允许检查电极在 C 方向上的重复是否足够长。电极的长度最终取决于计算中使用的基组。
- 在当前的计算中，四层电极略短，一些矩阵元素会被舍弃掉。对于使用 Fe 电极和 SG15-Medium 赝势/基组进行的生成计算，应使用 6 层电极。
联系支持
如果您即使按照我们的指南进行操作也无法收敛您的器件计算，请在在线 QuantumATK 论坛（https://forum.quantumatk.com）上发帖或联系 QuantumATK 支持（quantumatk-support@synopsys.com）。在使用这两种方式联系时，请附上您的 QuantumATK 脚本和日志文件。