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--- atk:器件体系的建模与计算 [2015/05/27 21:57] – [简介] fermi
+++ atk:器件体系的建模与计算 [2016/12/08 11:06] – [简介] dong.dong
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 计算采用密度泛函理论（DFT）方法与非平衡态格林函数（NEGF）方法结合。更多关于计算的理论细节可以参考[[http://quantumwise.com/documents/manuals/latest/ReferenceManual|ATK的手册]]。
-<jmol {{atk:lih2.cif}}>
+<WRAP center tip 100%>
-</jmol>
+进一步了解如何进行完整、可靠的器件计算，请参考：[[atk:使用atk研究电子输运|使用ATK研究电子输运]]。
+</WRAP>
+<WRAP center info 100%>
+=== 提示 ===
+**本教程使用特定版本的VNL-ATK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。**
+</WRAP>
 ===== 用于输运计算的体系几何结构 =====
 ==== 器件体系的基本结构 ====
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 这个工具自动探测中央区域的左右部分的周期性，给出添加电极的多种可能性。本例中两端的锂原子间距相同（约3.11Å），周期性明显，当然二倍、三倍、四倍等周期也是存在的。
-<WRAP center round important 80%>
+<WRAP center important 100%>
 尽管看上去选择最小的电极周期是可以的，但实际上却行不通。实际体系通常需要大于7-8Å的电极长度，小于这个长度的电极可能会导致计算结果错误。关于这一点的详细解释请参考[[atk:双电极体系中如何正确设置电极|双电极体系中如何正确设置电极]]。
 </WRAP>
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 本例中应该选择三个锂原子长度（约9.3Å）作为电极。
-<WRAP center round tip 80%>
+<WRAP center tip 100%>
 用左侧工具中的“Split Device”工具可以把器件的电极部分单独拆分开来，用来进行电极部分的能带计算等。
 </WRAP>
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 {{ :atk:setup-transmissionanalyzer.png?600 |}}
 ===== 深入分析结果 =====
-除了进行在上面的自洽计算脚本中直接添加其他分析计算以外，ATK还可以稍后再进行其他的分析计算。
+除了在上面的自洽计算脚本中直接添加其他分析计算以外，ATK还可以稍后再进行其他的分析计算。
 这样做很多时候可以把耗时的自洽计算与快速的分析计算分开进行，很多时候更方便。因为往往我们需要先了解体系的基本特性，再根据需要决定进行哪些分析计算，而不是盲目的进行很多没有价值的计算。
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 在同一个窗口中还科技对态密度进行投影，值得注意的是氢原子上的投影态密度与透射谱形状非常相似。
-<WRAP center round info 60%>
+<WRAP center round info 80%>
 投影（部分）态密度可以通过在右侧显示的结构上直接选择原子来显示，选择多个原子需要按住Ctrl键。选中原子后还可以在上部选择投影在s、p、d、f等角动量上。
 </WRAP>
 ==== 分子投影的自洽哈密顿量（MPSH） ====
+本节讲解如何计算氢分子的本征态，即通常所称的分子投影自洽哈密顿量（MPSH）的本征值谱。
+回到Script Generator窗口，删去**DeviceDensityOfStates**对象，从**Analysis**增加一个**MolecularEnergySpectrum**和两个**Eigenstate**对象。
+{{ :atk:analysis_mpsh_menu.png?direct&500 |}}
+打开**MolecularEnergySpectrum**，在Projection Selector中勾选**Hydrogen**。
+打开两个Eigenstate，选择投影到Hydrogen，量子数分别设置为0和1。
+{{ :atk:mpsh_eigenstate_widget.png?direct&300 |}}
+用Job Manager运行脚本。结果将出现在''li-h2.nc''。选中{{:atk:energy_spectrum.png?direct&100|}}图标，点击右侧**2D Plot**即可显示能级谱；点击Text Representation即可打印出全部能级的数值。
+{{:atk:analysis_mpsh.png?direct&400|}}
+费米能级以下有一个本征态（量子数=0），对应了氢分子的HOMO能级；费米能级以上的第一个本征态（量子数=1）则对应了氢分子的LUMO能级。对比孤立氢分子的能级计算结果，我们发现由于耦合于锂原子中间，氢分子的HOMO-LUMO间距从12.1eV减小到了10.1eV。尤其是LUMO从费米能级以上6eV位置降低到了费米能级以上2eV位置，这解释了为什么氢分子能有比较大的电子透射。
+为了作出量子数=0的本征态的图，选中''li-h2.nc''中的Eigenstate，点击右侧Viewer，在弹出的窗口中选择isosurface或是contour：
+{{ :atk:li-h2-homo.png?direct&500 |}}
+<WRAP center round info 80%>
+  * 为了让分子轨道图中显示结构，可以从LabFloor中将结构拖动到轨道图的窗口中；
+  * 还可以重新拖入分子轨道，选择Contour图，这样就将不同的作图叠加在了一起；
+  * 使用右侧Property可以任意调整图像的显示效果
+</WRAP>
 ==== 本征透射通道 ====
+另外一个对我们理解轨道与输运关系非常有帮助的是本征透射通道分析。本征透射通道分析是在给定的能量和k点处，把透射矩阵对角化，得到对该能量、k点处的透射系数的贡献。
-===== IV曲线 =====
+在上面的Script Generator中，删去MolecularEnergySpectrum和Eigenstate。从Analysis中增加TransmissionEigenvalues和TransmissionEigenstate。
-==== 有限偏压下自洽计算（单电压点） ====
+{{ :atk:analysis_transmission_eigen.png?direct&500 |}}
-==== 使用脚本进行I-V关系扫描 ====
-===== 建模与结构优化 =====
+在默认的参数（能量=费米能级，kx=ky=0）下运行脚本，结果出现在li-h2.nc文件中。
-==== 电极结构 ====
-==== 确定中央区域结构 ====
-==== 有限偏压下的优化 ====
+选中TransmissionEigenvalues图标，点击Text Representation，可以看到费米能级处只有一个透射通道（透射系数约为0.7）。
+{{ :atk:analysis_eigenvalues.png?direct&500 |}}
+和分子轨道图类似，透射通道也可以可视化。选中透射本征通道，点击右侧的Viewer工具。同样也可以把器件结构拖动到图上以同时显示（颜色显示了相位）：
+{{ :atk:analysis_eigenchannel.png?direct&500 |}}
+图中可以明显看出，由于中央氢分子的散射作用，右侧的本征态振幅比左侧要小很多。本征函数在左右两侧的波长是一样的，但是经过氢分子时，相位发生了180度翻转。这表明了这个通道的电子透射是通过氢分子的LUMO轨道完成的。
+==== 用同一个脚本完成一系列分析计算 ====
+多个分析计算可以放在一个脚本中一起完成。例如进行以下计算：
+{{ :atk:analysis_multiple.png?direct&500 |}}
+===== 关于器件结构的优化 =====
+进行器件计算应该使用合理结构，最“自洽”的方法是用ATK进行结构优化。结构优化时，应该对central region进行优化，为了更快完成，可以尝试：
+  * 先优化得到块体电极的结构，然后在此基础上创建中间区域；之后冻结中间区域的电极原子（除了电极表面的）；
+  * 给定尽量合理的初始结构（根据直觉考虑，建模时也可以尝试用quick optimizer快速优化）；
+  * 可以先考虑用经验势或半经验进行预优化；
+  * 仔细优化时可以考虑使用Rigid冻结功能。
+当然也可以考虑用VASP优化，VASP优化后直接导入ATK创建器件结构计算输运性质，可以不必再优化。
+最新的VNL-ATK 2015版提供更为合理的（界面）器件优化方案，尤其是当左右电极为两种不同的块体材料时，界面晶胞的优化问题特别重要。详情请参考：[[atk:如何弛豫器件体系的几何结构|如何弛豫器件体系的几何结构]]。
+<WRAP center tip 100%>
+进一步了解如何进行完整、可靠的器件计算，请参考：[[atk:使用atk研究电子输运|使用ATK研究电子输运]]。
+</WRAP>

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