碳纳米管导电结
在 QuantumATK 中实现 NEGF 输运模型的一个重要特性就是处理异构体系的能力，即两个电极的器件构型不同。这使其可以研究更广范围的重要体系如两种材料间的接触电阻（例如一种半导体/金属界面）或不同手性纳米管间的结电容。在本教程，您将学习如何设置这种结的几何结构。 
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。
Builder 中涉及的步骤相当简单，但对于这种类型的几何结构，重要的是研究传输和其他性质如何根据两个管重叠的程度而变化。因此，您还将学习如何通过在脚本添加几行 Python 代码来改变重叠距离。
NEGF
您可以在此处找到 Non-Equilibrium Green’s Function 方法的简介：arXiv。
注意
- 碳纳米管（Carbon Nanotubes， CNTs）：类型和性质
碳纳米管的原子结构由叫做手性指数的一组整数集 $(n,m)\in\mathbf{Z}^2$ 描述。若 $m=0$ 则碳纳米管为 zigzag 结构。其它特殊指数描述具有特别性质碳纳米管的情况如下：
- 若 $n=m$ 则 CNT 具有金属性（m）（椅型结构）。
- 若 $n\neq m$ 则 CNT 具有半导体特性（s）（手性结构）。
- 若 $n-m\in3\mathbf{Z}^*$ 则 CNT 具有半金属特性（sm）（手性结构）。
- CNT 导电结的可能组合
注解 1：这里我们用垂直条表示连接：“|”。
注解 2：金属和半导体之间的连接也很有趣，尽管在那种情况下可能的相关结构是 m|s|m，而不是 m|s。
设置几何结构
首先，您需要设置两个管刚相互接触的参考结构，将其定义为两个管边缘上的原子具有相同 Z 坐标的情况是合理的。
CNT 导电结实例：手性指数为 (12, 12)|(5, 5) 的 m|m
以下说明适用于具有 (12, 12)|(5, 5) 结的m|m 案例，但所涉及到的步骤对于任何手性组合都是相同的。
- 第 1 步：利用 Nanotube 插件按照以下步骤创建一个 (12, 12) 的金属性 CNT。
- 第 2 步：由于 CNT 非常薄，增加它的长度会更好些。选择 Boolk
Repeat 工具，输入 C = 10 将结构扩大至 10 倍。
- 第 3 步:为了创建（n, m）=（5, 5）的第二个 CNT，只需重复前面的步骤并在 Nanotube 插件中输入 N = 5 和 M = 5。此次我们也选择设置与第一个 CNT 相同的长度，同样地我们重复该结构十次。最后，在 Builder 的 Stash 上您将有两个相等长度的 CNT （手性指数分别和（12, 12）和（5, 5））
提示
标注：为了稍后能将两个纳米管做区分，可以将（5, 5）管的所有原子添加标签，具体操作：首先选中所有原子（Ctrl + A），然后打开 Slelect 
Tags，给 (5, 5) 管的原子都加上 cnt55 的标签。
- 第 4 步：双击 Stash 区的（12, 12）结构以激活。
- 第 5 步：Builder 中有一个特定的工具可将两个块体贴合在一起：Bulk Tools Merge Cells。此插件会将一个块体构型粘附到另一个活跃构型的特定一边。将（5, 5）管拖到插件面板的 3D 窗口，默认的选择为（5, 5）管沿（12, 12）管 C 方向在其之后添加。单击 Create。
- 第 6 步：（5, 5）管应该在在 z = 0 平面居中放置，因为它的原始晶胞比（12, 12）管的小很多。因此，打开 Tag Select 工具
，选择 cnt55，点击 OK，则已选中（5, 5）管的所有原子。然后打开 Coordinate Tools Center，在 A,B 方向上居中纳米管，即取消勾选 C，点击 Apply。
- 第 7 步：该体系在任何方向上都不具有周期性，因此单击 Molecule 按钮
移除单胞。研究这种导电结有趣的是导电性怎样随重叠部分的量或距离（两管之间）变化。可参考 [YZH + 06] 和 [PPR + 04]。为了明确地定义管之间的距离 d，建立一个我们定义的参考点 d = 0 很重要。最简洁的定义就是管的边缘开始重叠时的情况，接下来的步骤将把管排列成这种构型。
- 第 8 步：激活 Move tool
，选择（12, 12）管最右边的一个原子（Z 坐标值最大）。这种操作方式即选中了（12, 12）管的所有原子，或者更具体的说是，选中了所有通过键合跟单击原子连接的所有原子，单击原子成为锚原子，正如其标签为“0”或红色的筛选标记。
设置该原子的 Z 坐标为 0 Å，按下 Enter 键。关闭 Move 窗口退出 Move 工具，点击黑色的背景（或按下 Esc 键）取消选中所有原子。对（5, 5）管重复以上操作，只是这次选中最左侧边缘的原子（Z 坐标值最小）。
- 第 9 步：为创建一个器件，我们需要一个原胞，因此要点击 Bulk 按钮
添加回原胞（就是起初为了更易排列两个纳米管而删除的原胞）。最后，打开 Device Tools Device From Bulk，单击 OK。
改变两管间的距离：手动方式
您现在有一个 d = 0 的构型，即该结构两管间的距离定义为 0。为改变两管间重叠的距离，原则上您可以执行以下步骤：
- 在 Stash 区复制该构型。
- 转换回分子构型（ ）。
- 选中（5, 5）管的所有原子（ ）。
- 打开 Coordinate Tools Translate，移动（5, 5）管到需要的距离 d。
- 转换回块体构型（ ），然后转为器件。
对所有您想研究的 d 值重复以上步骤。现在，如果您想浏览一些距离将会相当麻烦。因此，您可以做一个小的 Python 函数自动执行任务。这将在下一部分描述。
利用一个 Python 函数改变重叠距离
安全起见，保存 d = 0 时构型的副本作为 Python 脚本。利用 Builder 右下角的 Send To 按钮（
）将结构从 Builder 
发送到 Editor 
。滚动至脚本的底端，在脚本的最下面嵌入以下代码。
1 # ----------------------------------------------------------------------------
2 def moveTube(device_configuration, d=0.0):
3 # d is assumed to be in Angstrom
4 # Extract the central region from the device configuration
5 central_region = device_configuration.centralRegion()
6
7 # Number of atoms
8 N = len(central_region.cartesianCoordinates())
9 # Which atoms are in the right tube? Those with tag="2"
10 right_tube = device_configuration.indicesFromTags("2")
11
12 # Set a Z shift of d for these atoms, and zero for others
13 delta = numpy.zeros(N)
14 delta.put(indices=right_tube, values=d)
15 Delta = numpy.array([numpy.zeros(N),numpy.zeros(N),delta]).transpose()
16 # Shift coordinates!
17 new_coordinates = central_region.cartesianCoordinates() + Delta*Angstrom
18 # Extend (or contract) the unit cell by the same amount
19 va, vb, vc = central_region.bravaisLattice().primitiveVectors()
20 vc = vc + [0.0, 0.0, d]*Angstrom
21 new_cell = UnitCell(va,vb,vc)
22 # Rebuild central region (transfer ghost atoms too)
23 new_central_region = BulkConfiguration(
24 bravais_lattice=new_cell,
25 elements=central_region.elements(),
26 cartesian_coordinates=new_coordinates,
27 ghost_atoms = central_region.ghostAtoms(),
28 )
29
30 # Transfer the tags to the new configuration
31 for tag in central_region.tags():
32 new_central_region.addTags(tag, central_region.indicesFromTags(tag))
33
34 # "Device from bulk" the scripting way
35 from NL.CommonConcepts.Configurations.DeviceFromBulk import deviceFromBulk
36 left_electrode, right_electrode = device_configuration.electrodes()
37 left_electrode_length = left_electrode.bravaisLattice().primitiveVectors()[2,2]
38 right_electrode_length = left_electrode.bravaisLattice().primitiveVectors()[2,2]
39 new_device = deviceFromBulk(left_electrode_length, right_electrode_length,
40 new_central_region
41 )
42
43 return new_device
44 # ----------------------------------------------------------------------------
45 d = -5.0
46 device_configuration = moveTube(device_configuration, d)
如果您想理解这段代码的工作原理，可以研究下提供的非常详细的解释的注释。否则，你真正需要知道的就是通过改变倒数第二行的“d”值（单位假定设为 Å），右管移入（d 值为负）或移出（d 值为正）左管。
提示
为观察操作结果，再次使用 按钮将脚本发送回 Builder。因为电极和中心区域也被识别为脚本中存在的有效构型，这将添加不少于四种构型到 Stash 区。如果您替代地将脚本发送到 Script Generator 
，则只会有一个构型被传输。
注释：
- C 方向的 10 倍重复使该体系相当大。因此，将管间距离的负值设置的非常大不仅很有必要，而且还要相应的增加计算时间。如果您限制了 d 的值，可以在创建纳米管之时或之后通过点击 Deviece Tools Central Region Size的方式减少重复的倍数约为 6 或 7。只需注意管不要太靠近晶胞的另一边，并确保目视检查您选择计算的最大 d 值构型。
- 有些人会想知道两管相对彼此旋转会发生什么，但是影响可能会很小（参考 [YZH + 06]）。除非这两个管的半径有可比性以致于两管的 π 轨道有很强的重叠。
参考
- [PPR+04] (1, 2) Pawel Pomorski, Lars Pastewka, Christopher Roland, Hong Guo, and Jian Wang. Capacitance, induced charges, and bound states of biased carbon nanotube systems. Phys. Rev. B, 69:115418, Mar 2004. doi:10.1103/PhysRevB.69.115418.
- [PRGW03] Pawel Pomorski, Christopher Roland, Hong Guo, and Jian Wang. First-principles investigation of carbon nanotube capacitance. Phys. Rev. B, 67:161404, Apr 2003. doi:10.1103/PhysRevB.67.161404.
- [YZH+06] (1, 2) Qimin Yan, Gang Zhou, Shaogang Hao, Jian Wu, and Wenhui Duan. Mechanism of nanoelectronic switch based on telescoping carbon nanotubes. Applied Physics Letters, 2006. doi:10.1063/1.2198481.