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adf:mos2inefield

外加电场令二维半导体MoS2带隙闭合的计算研究

创建模型

从晶体结构数据库下载MoS2的*.cif文件,并通过AMSinput - File - Import Coordinates导入。删除多层,只保留1层,并将右侧窗口Periodicity从Bulk(三维周期边界)改为Slab(二维周期边界),并点击窗口底部最右侧按钮(用于显示3倍单胞的情况,从而看起来更方便,但是计算的时候,仍然只计算原来的单胞):

计算没有外加电场的能带、带隙

参数设置如下:

保存并提交作业。

查看能带、带隙

SCM - Band Structure,如果放大并将鼠标悬停在带上,可以显示能带在该K点的能量值,能带图中部的粗实线代表费米能级,该费米能级具有物理意义(能量参考点为无穷远处真空能量为0),而不是像其他软件中将费米能级平移到0。

可以看到K点带隙:1.8 eV,实验值为1.9 eV,您可以尝试其他泛函,例如MetaGGA-SCAN(使用MetaGGA,则Numerical Quality需要改为Good,Frozen Core需要改为None),带隙受泛函影响较大。本例中SCAN泛函计算得到的带隙为1.9 eV与实验更加接近。

电子空穴传输

对于半导体,费米能级附近的能带形状,可以反应电子(在导带底部)或空穴(在价带顶部)移动的难易程度。曲率的倒数称为电子或空穴的有效质量。曲率小意味着电子或空穴的有效质量大,曲率大意味着有效质量大。要计算此有效质量:

使用与以前相同的设置,增加设置:在AMSinput → Properties → Effective Mass中,勾选Effective mass框,并在下方输入需要计算哪个K点的有效质量,例如Γ点为0.0 0.0 0.0(如果是本例中的二维材料,则Γ点坐标也是二维的:0.0 0.0,一维以此类推)。当然,实际上也可以在上面计算能带的时候,直接增加有效质量的设置,同时得到能带、有效质量。

其中Include N bands above是指费米能级以上多少条能带的有效质量需要计算?如果只计算导带底则为1;Include N bands below指费米能级以下多少条能带的有效质量需要计算,如果只计算价带顶,则为1。

运行计算。结果将在输出(.out 文件)中可见:

E F F E C T I V E   M A S S

  
 Fermi energy                   -0.205846 Hartree     -5.60134 eV
 
 k-coordinates                     0.000      0.000
 fractional coords                 0.000      0.000
 
       Curvature for band index:              9
       Energy wrt fermi level:        -0.033232 Hartree     -0.90429 eV
       Energy:                        -0.239078 Hartree     -6.50563 eV
       ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
       Step size:                      0.001000                                            0.002000
       ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
       eigenvalues of band curvature   -0.27061    -0.27061                                -0.27062    -0.27061
       effective mass (m0):            -3.69536    -3.69538                                -3.69521    -3.69529
       eigenvectors:
                     eigenvector # 1   -0.999933     0.011584                              -0.999989     0.004592
                     eigenvector # 2   -0.011584    -0.999933                              -0.004592    -0.999989
       ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 
       Curvature for band index:             10
       Energy wrt fermi level:         0.076580 Hartree      2.08386 eV
       Energy:                        -0.129265 Hartree     -3.51749 eV
       ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
       Step size:                      0.001000                                            0.002000
       ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
       eigenvalues of band curvature   -1.39777    -1.24498                                -1.35939    -1.32142
       effective mass (m0):            -0.71542    -0.80323                                -0.73562    -0.75676
       eigenvectors:
                     eigenvector # 1   -0.990798    -0.135349                              -0.990650    -0.136426
                     eigenvector # 2    0.135349    -0.990798                               0.136426    -0.990650
       ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

可以看到在Γ点,价带顶:effective mass (m0):-3.69536、-3.69538,有效质量实际是一个椭圆,此处长轴和短轴一样,因此可以认为有效质量为-3.70 a.u.。类似导带底有效质量为短轴-0.71542,长轴-0.80323的椭圆。三维体系则为椭球,存在三个轴,即沿着三个不同方向,有效质量是不一样的。

外加电场后的能带

在能带计算参数的基础上,增加参数设置:

保存并提交作业。

能带结果

SCM - Band Structure:

用户可以通过多次尝试不同的外加电场,观察对能带、带隙的影响,从而找到在何种电场强度下,带隙变为0,成为导体。

电荷分析

施加电场后可以分析电荷。在菜单栏中选择SCM → View → Add → Isosurface:Colored → 窗帘底部Select Field选择Deformation Fitting Density,右键单击选择原子并选择Atom info → CM5 Charges以显示电荷:

参考文献

K. Mak, C. Lee, J. Hone, J. Shan, TF Heinz Atomically Thin MoS2: A New Direct-Gap Semiconductor , Physical Review Letters 105, 136805 (2010)

adf/mos2inefield.txt · 最后更改: 2021/11/05 19:45 由 liu.jun

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