ATK建模與計算過程基本的介紹

Atomistix

ToolKit

(ATK)

面粉面包grapheneMoleculardevice插電設(shè)置烘烤參數(shù)建模設(shè)置計算參數(shù)5元50元SciencePhysicalB雞蛋奶油堅果巧克力手性缺陷摻雜取代自旋ATK是一個基于密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)方法的第一性原理計算

方法,優(yōu)勢在于可以計算I-V特性。老版本AtomistixToolKit（ATK）AtomistixVirtualNanoLab（VNL）Part1：AtomistixToolKit（ATK）簡介新版本界面改變，功能未變1：定義幾何模型—即所有原子的坐標。對于兩探針電極，需指明電極和中心或散射區(qū)域。對于這個任務(wù)，VNL包含了幾個數(shù)據(jù)庫和生成器。

2：接下來，你需要指定具體的計算，隨著計算我們能得到一些需要的物理性質(zhì)。這些在VNL中能用scriptgenerator（簡寫script）完成。1233：生成其他軟件的腳本。（Vasp）45：提交計算任務(wù)。56：查看計算結(jié)果。64：腳本編輯。

（1

）用script的主要步驟是：

A:選擇指定的計算方法，如DFT，半經(jīng)驗B:定義模型的參數(shù)（DFT）

，如k-pointsampling,theexchange-correlationfunctional,一些基本設(shè)計和其它數(shù)值的精確設(shè)定。在transport計算中還得設(shè)置偏壓。C:選擇要從計算中得到的物理性質(zhì)，如總能量，能帶結(jié)構(gòu)，電子密度，DOS，PDOS，LDOS，PLDOS。D:你可以在script中設(shè)置使用幾何優(yōu)化，或分子動力學(xué)，一些與分子自旋相關(guān)的都能用initialspinconfiguration計算。scriptgenerator會產(chǎn)生一條python腳本，一般都會被推薦保存它以便以后使用。你可以在script內(nèi)部的編輯器上編輯改變它。制作好的script（一般表示為script.py）可以把它放在JobManager中執(zhí)行，或直接在工具中創(chuàng)建并編輯，也可以從文件系統(tǒng)中引用并使用。或者，你可以在體地電腦命令行中運行它，如：Atkpythonscript.py>script.logAtk運行的數(shù)據(jù)存在一個名叫NetCDF（.nc）的文件中，當你計算的時候可以指定一個script.nc。注意：新版本如果NetCDF沒有提供絕對的路徑，那文件將被直接保存在VNL開始的地方（一般你可以按工具欄上的home按扭）或script運行的地方。HereF:/myjob.nc控制輸出文件的細節(jié)ATK軟件能計算些什么？MPSHOrbitalDOS&PDOSLDOSPLDOS（2

）

ATK軟件怎么建模，也就是需要知道哪些參量才能開始計算？電極結(jié)構(gòu)+分子結(jié)構(gòu)=模型

雙電極或多電極器件體系（目前研究器件中電子輸運的標準模型）

左電極+中間散射區(qū)+右電極中間散射區(qū)包含部分電極以此來屏蔽分子與電極間的干擾（3）ATK計算過程優(yōu)化電極和分子體系的坐標構(gòu)建電極和分子體系的坐標建立電極和分子體系的模型通過比較能量最低點找到分子與電極合理的連接方式和距離通過弛豫得到分子體系最合理、最理想的構(gòu)型在左右電極加不同的偏壓或加入門壓得到電流值提取MPSH、TransmissionDOS、PDOS、進行分析得到電流性質(zhì)的合理解釋計算方法參考Phys.Rev.B65,1654012002.Part2：建立電極和分子體系的模型1電極模型分類:B)納米電極（N-M-N）C)體電極與納米電極結(jié)合（B-M-N）A)體電極（B-M-B）2建模注意事項:A)體電極（B-M-B）(a)設(shè)置電極大小與晶面取向，如3*3大小(111)晶面，電極大小要超過分子的三維尺寸，防止三維堆垛發(fā)生原子交疊重合。(b)散射區(qū)的電極層數(shù)最好大于或等于電極層數(shù)，否則會導(dǎo)致分子與電極的干擾，影響數(shù)值計算結(jié)果的準確性。B)納米電極（N-M-N）散射區(qū)的電極層數(shù)最好大于或等于電極層數(shù)，否則會導(dǎo)致分子與電極的干擾，影響數(shù)值計算結(jié)果的準確性。新版本是先建立中間散射區(qū)，電極自動拓展出來。(b)在電極元包格子的XY方向一定要設(shè)定足夠大的真空距離，電極處于格子中心。(c)如果電極尺寸小于分子尺寸(如石墨烯帶-C60-石墨烯帶),元包格子大小應(yīng)超過C60三維尺寸。3建立分子模型(a)借助第三方建模軟件(MS，GV)建模后導(dǎo)出坐標。(b)分子模型要首先進行結(jié)構(gòu)弛豫，弛豫是分子鍵應(yīng)該為全飽和狀態(tài)，無懸掛鍵存在。(c)如果分子不是直接與電極相連，二者之間有鏈接原子，應(yīng)帶著鏈接原子一起優(yōu)化。(d)如果研究分子結(jié)構(gòu)形變，可以只對基態(tài)進行優(yōu)化，不優(yōu)化形變態(tài)。對于多重結(jié)構(gòu)(如光敏分子)應(yīng)該逐一優(yōu)化結(jié)構(gòu)。4分子與電極連接構(gòu)成器件模型(a)利用軟件自帶功能，將分子模型拖拽入電極模型，調(diào)整分子與電極的耦合距離和耦合位置。(b)先根據(jù)分子要放置的位置調(diào)節(jié)分子坐標，然后組合。(c)分子是通過鏈接原子與電極相連的，可根據(jù)已有的實驗數(shù)據(jù)或理論工作設(shè)定原子與電極的連接距離和連接位置。(d)如果沒有文獻支持，應(yīng)根據(jù)總能最低原則，逐一計算一系列耦合距離，找出能量最低點，認為是合理的耦合距離。(e)分子與電極連接后應(yīng)對整個體系進行結(jié)構(gòu)弛豫，可以固定散射區(qū)電極原子坐標。VeryImportant1參數(shù)設(shè)定:大部分默認的參數(shù)已經(jīng)經(jīng)過驗證，可以直接使用。A)BasisSet1，基組設(shè)置SZP和DZP精度足夠2，對不同元素采用不同基組Part3：設(shè)定參數(shù)計算模型電子輸運性質(zhì)B)Kpoint1，K點的數(shù)目直接決定計算自洽收斂和結(jié)果精度2，體系尺寸大AB上的K點可以減少，納米電極一般按一維電極對待，可以取13，C方向K點決定Fermi能級，有限尺寸模擬半無限電極結(jié)構(gòu)，必須取足夠大c)Electrontemperature1，提高electrontemperature可以解決收斂困難的問題2，高值影響計算結(jié)果3，可以先提高收斂，然后退火再計算D)Meshcut-off1，決定泊松方程的網(wǎng)格點2，取值越高，網(wǎng)格取點越密集，精確度越高，但計算量越大3，通過對比輸運系數(shù)確定合適取值，避免計算資源浪費單位E)交換關(guān)聯(lián)泛函1，包含了LDA，GGA，LSDA，SGGA等眾多種類的泛函；

i.LDA系列：HL、PW、PZ、RPA、WIGNER、XA；

ii.GGA系列：BLYP、BP86、BPW91、PBE、PBES、PW91、RPBE、XLYP

iii.Hubbard+U選項：LSDA+U，SGGA+U(自旋問題)2，根據(jù)不同計算體系采用不同泛函，查文獻F)收斂標準和步數(shù)1，決定自洽收斂的標準，越小結(jié)果精度越高，但計算時間越長2，對于難收斂的可以適當增加步數(shù)，但是無明顯收斂趨勢的應(yīng)停止計算，先放寬參數(shù)，然后用收斂后的結(jié)果繼續(xù)計算注意：泛函和基組的選擇根據(jù)計算量和計算的精度來選擇，泛函越嚴格基組越高，計算量越大，可能會出現(xiàn)計算不成功的現(xiàn)象。(a)電流約定從左到右為正值(b)輸運系數(shù)T(E)不同偏壓下的輸運系數(shù)決定不同偏壓下的電流。(c)前線軌道分布HOMOLUMO結(jié)合裸分子的軌道分析輸運系數(shù)譜上的峰。Part4：計算結(jié)果輸出(e)態(tài)密度DOS單位能量間隔內(nèi)電子占據(jù)態(tài)的數(shù)目，呈連續(xù)曲線分布，高峰說明該能量位置電子占據(jù)多，零說明沒有電子占據(jù)。(f)投影態(tài)密度PDOS可以按原子，LDOS按軌道(能量)投影，重點分析摻雜取代影響。(d)本征態(tài)MPSH3D圖形查看分析分子軌道的擴展性(g)馬利肯布居分析轉(zhuǎn)移電荷或凈電荷，幫助理解偏壓下軌道的移動(h)電壓降voltage-drop分析電阻存在的位置可以用來檢測屏蔽層的效果(i)電子密度解釋成鍵狀態(tài)(j)靜電勢分布分析整流,開關(guān)零偏壓輸運系數(shù)譜1，根據(jù)情況可以用幾個分立圖對比呈現(xiàn)，也可以在一個圖中呈現(xiàn)，利用matlab、origin畫圖。2，不同器件的曲線可以用顏色或者曲線式樣進行區(qū)分，明確標示3，最好標示出前線分子軌道位置。本征態(tài)MPSH3D圖形查看分析分子軌道的擴展性PhysicsLettersA375(2011)3314–3318MPSH圖耗內(nèi)存，不要將多個圖形存儲于一個文件中。態(tài)密度DOS輸運有峰必有態(tài)有態(tài)不一定有峰投影態(tài)密度PDOS可以按原子，LDOS按軌道(能量)投影，重點分析摻雜取代影響。CARBON51：313(2013)馬利肯布居分析轉(zhuǎn)移電荷或凈電荷，幫助理解偏壓下軌道的移動Nanotechnology19(2008)455203電壓降voltage-drop分析電阻存在的位置可以用來檢測屏蔽層的效果CARBON51：313(2013)電子密度解釋成鍵狀態(tài)J.AM.CHEM.SOC.2010,132,11481–11486

靜電勢分布分析整流靜電勢分布不對稱導(dǎo)致正負偏壓電流值不相等呈現(xiàn)整流Appl.Phys.Lett.98,0921022011Appl.Phys.Lett.100,063107I-V曲線偏壓變化下的輸運系數(shù)譜分析NDR整流等現(xiàn)象偏壓變化下的軌道移動偏壓變化下的軌道對應(yīng)的MPSH通過DOS、PDOS、LDOS解釋峰靜電勢分布偏壓變化下的輸運譜移動Appl.P