Device Studio如何构建几何结构

Nanodcal是一款基于非平衡态格林函数-密度泛函理论（NEGF - DFT）的第一性原理计算软件，主要用于模拟器件材料中的非线性、非平衡的量子输运过程，是目前国内拥有自主知识产权的基于第一性原理的输运软件。可预测材料的电流 - 电压特性、电子透射几率等众多输运性质。

迄今为止，Nanodcal 已成功应用于1维、2维、3维材料物性、分子电子器件、自旋电子器件、光电流器件、半导体电子器件设计等重要研究课题中，并将逐步推广到更广阔的电子输运性质研究的领域。

本期将给大家介绍Nanodcal半导体器件2.5-2.5.2的内容。

2.5. Bi2Se3拓扑绝缘体

拓扑绝缘体是具有如正常绝缘体一样的块体能隙，但是在表面具有导电态的电子材料。这些态受材料的非平庸拓扑指数的拓扑保护，并且不会被任何扰动所移除。这些表面态的二维能量动量关系具有一个类似于石墨烯的“狄拉克锥”结构。拓扑绝缘体由此构成由奇异物理现象支配的新一类量子物质，并可能在将来运用于电子器件中。

2.5.1. GGA计算

2.5.1.1. Device Studio构建几何结构

（1）打开Device Studio，新建目录Bi2Se3_bulk。

（2）从数据库中导入数据并命名为Bi2Se3_bulk_GGA，坐标文件如下：

（3）建立nanodcal自洽计算所需的输入文件，（用扩胞后的文件）如下：

Simulator→Nanodcal→SCF Calculation→Generate file。设置参数K点改成9 9 3，然后点击Generate file。其他参数默认。产生自洽计算的输入文件scf.input及基组文件Bi_LDA-DZP.nad、Se_LDA-DZP.nad，右击打开open with，可查看如下。

（4）建立nanodcal计算能带的输入文件（原胞），如下：

Simulator→Nanodcal→Analysis→BandStructure→->→Generate file。参数默认，产生能带计算的输入文件BandStrure.input，同样，右击打开open with，可查看，如下：

2.5.1.2. 自洽计算和能带计算

连接Nanodcal服务器：在Job Manager所示界面中点击设置按钮，弹出MachineOptions界面，在该界面选择中点击New按钮，弹出MachineSet界面，在该界面中填写Computer Name、HostIp、port、Username、Password等一系列信息，点击OK按钮则在MachineOptions界面中添加了装有Nanodcal的服务器。

图 2-25：连接服务器操作界面

自洽计算：在选择nanodcal服务器后，选中scf.input右击run后会出现以下界面如图所示：

图 2-26：Run界面

根据计算需要设置参数后点击save按钮保存相应的pbs脚本，然后点击run进行计算。等待计算完毕后点击Job Manager所示界面中的Action下的下载按钮下载NanodcalObject.mat文件

3，能带计算：与第2步一样选中选中BandStructure.input右击run。等待计算完毕后点击Job Manager所示界面中的Action下的下载按钮下载BandStructure.mat、PhononBandStructure.fig、BandStructure.xml文件。

2.5.1.3. 可视化分析

在Device Studio的Project Explorer区域选中能带计算结果文件BandStructure.xml→右击→Show View，如下图：

图 2-27：块体Bi2Se3的GGA能带结构图

2.5.2. SOCGGA计算

2.5.2.1. Device Studio构建几何结构

（1）打开Device Studio，在Bi2Se3_bulk的目录下复制结构文件Bi2Se3_bulk_GGA并命名为Bi2Se3_bulk_SOCGGA。

（2）建立nanodcal自洽计算所需的输入文件，（用扩胞后的文件）如下：

Simulator→Nanodcal→SCF Calculation→Generate file。设置参数K点改成9 9 3，自旋方式改成GeneralSpin， 勾选spin-orbital interaction，Rho[0 1]下面修改为0.01，然后点击Generate file。其他参数默认。产生自洽计算的输入文件scf.input及基组文件Bi_LDA-DZP.nad、Se_LDA-DZP.nad，右击打开open with，可查看，如下。

（3）建立nanodcal计算能带的输入文件，如下：

Simulator→Nanodcal→Analysis→BandSructure→->→Generate file。参数默认，产生能带计算的输入文件BandSructure.input，同样，右击打开open with，可查看，如下：

2.5.2.2. 自洽计算和能带计算

自洽计算：连接服务器（请参见Device Studio的工具栏中help→help Topic→7.应用实例→7.1Nanodcal实例）在选择服务器后，选中scf.input右击run。等待计算完毕后点击JobManager所示界面中的Action下的下载按钮下载NanodcalObject.mat文件。

能带计算：与第1步自洽计算一样选中BandStructure.input右击run。等待计算完毕后点击Job Manager所示界面中的Action下的下载按钮下载BandStructure.mat、PhononBandStructure.fig、BandStructure.xml文件。

2.5.2.3. 可视化分析

在Device Studio的Project Explorer区域选中能带计算结果文件BandStructure.xml→右击→Show View，如下图：

图 2-30：块体Bi2Se3的GGA+SOC能带结构图

在计算中考虑自旋轨道耦合（SOCGGA）对能带结构有一个显著的影响，并使在G点的直接带隙变大。然而，我们并没有见到任何能带穿过费米能级（最小的SOGGA能隙为0.3eV）,所以Bi2Se3块体材料是绝缘体。