ATK建模與計(jì)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(jì)算參數(shù)5元50元SciencePhysicalB雞蛋奶油堅(jiān)果巧克力手性缺陷摻雜取代自旋ATK是一個(gè)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(jì)算

方法,優(yōu)勢(shì)在于可以計(jì)算I-V特性。老版本AtomistixToolKit（ATK）AtomistixVirtualNanoLab（VNL）Part1：AtomistixToolKit（ATK）簡(jiǎn)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(biāo)。對(duì)于兩探針電極，需指明電極和中心或散射區(qū)域。對(duì)于這個(gè)任務(wù)，VNL包含了幾個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)和生成器。

2：接下來，你需要指定具體的計(jì)算，隨著計(jì)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(jiǎn)寫script）完成。1233：生成其他軟件的腳本。（Vasp）45：提交計(jì)算任務(wù)。56：查看計(jì)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(jì)算方法，如DFT，半經(jīng)驗(yàn)B:定義模型的參數(shù)（DFT）

，如k-pointsampling,theexchange-correlationfunctional,一些基本設(shè)計(jì)和其它數(shù)值的精確設(shè)定。在transport計(jì)算中還得設(shè)置偏壓。C:選擇要從計(jì)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(dòng)力學(xué)，一些與分子自旋相關(guān)的都能用initialspinconfiguration計(jì)算。scriptgenerator會(huì)產(chǎn)生一條python腳本，一般都會(huì)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?；蛘撸憧梢栽隗w地電腦命令行中運(yùn)行它，如：Atkpythonscript.py>script.logAtk運(yùn)行的數(shù)據(jù)存在一個(gè)名叫NetCDF（.nc）的文件中，當(dāng)你計(jì)算的時(shí)候可以指定一個(gè)script.nc。注意：新版本如果NetCDF沒有提供絕對(duì)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(yùn)行的地方。HereF:/myjob.nc控制輸出文件的細(xì)節(jié)ATK軟件能計(jì)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(jì)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(yùn)的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算過程優(yōu)化電極和分子體系的坐標(biāo)構(gòu)建電極和分子體系的坐標(biāo)建立電極和分子體系的模型通過比較能量最低點(diǎn)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(jìn)行分析得到電流性質(zhì)的合理解釋計(jì)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(xiàng):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(huì)導(dǎo)致分子與電極的干擾，影響數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)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(huì)導(dǎo)致分子與電極的干擾，影響數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。新版本是先建立中間散射區(qū)，電極自動(dòng)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(biāo)。(b)分子模型要首先進(jìn)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(duì)基態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，不優(yōu)化形變態(tài)。對(duì)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(biāo)，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(shí)驗(yàn)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(xiàn)支持，應(yīng)根據(jù)總能最低原則，逐一計(jì)算一系列耦合距離，找出能量最低點(diǎn)，認(rèn)為是合理的耦合距離。(e)分子與電極連接后應(yīng)對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)弛豫，可以固定散射區(qū)電極原子坐標(biāo)。VeryImportant1參數(shù)設(shè)定:大部分默認(rèn)的參數(shù)已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證，可以直接使用。A)BasisSet1，基組設(shè)置SZP和DZP精度足夠2，對(duì)不同元素采用不同基組Part3：設(shè)定參數(shù)計(jì)算模型電子輸運(yùn)性質(zhì)B)Kpoint1，K點(diǎn)的數(shù)目直接決定計(jì)算自洽收斂和結(jié)果精度2，體系尺寸大AB上的K點(diǎn)可以減少，納米電極一般按一維電極對(duì)待，可以取13，C方向K點(diǎn)決定Fermi能級(jí)，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(jì)算結(jié)果3，可以先提高收斂，然后退火再計(jì)算D)Meshcut-off1，決定泊松方程的網(wǎng)格點(diǎn)2，取值越高，網(wǎng)格取點(diǎn)越密集，精確度越高，但計(jì)算量越大3，通過對(duì)比輸運(yùn)系數(shù)確定合適取值，避免計(jì)算資源浪費(fèi)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(xiàng)：LSDA+U，SGGA+U(自旋問題)2，根據(jù)不同計(jì)算體系采用不同泛函，查文獻(xiàn)F)收斂標(biāo)準(zhǔn)和步數(shù)1，決定自洽收斂的標(biāo)準(zhǔn)，越小結(jié)果精度越高，但計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)2，對(duì)于難收斂的可以適當(dāng)增加步數(shù)，但是無明顯收斂趨勢(shì)的應(yīng)停止計(jì)算，先放寬參數(shù)，然后用收斂后的結(jié)果繼續(xù)計(jì)算注意：泛函和基組的選擇根據(jù)計(jì)算量和計(jì)算的精度來選擇，泛函越嚴(yán)格基組越高，計(jì)算量越大，可能會(huì)出現(xiàn)計(jì)算不成功的現(xiàn)象。(a)電流約定從左到右為正值(b)輸運(yùn)系數(shù)T(E)不同偏壓下的輸運(yùn)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(yùn)系數(shù)譜上的峰。Part4：計(jì)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(diǎn)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(kuò)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(dòng)(h)電壓降voltage-drop分析電阻存在的位置可以用來檢測(cè)屏蔽層的效果(i)電子密度解釋成鍵狀態(tài)(j)靜電勢(shì)分布分析整流,開關(guān)零偏壓輸運(yùn)系數(shù)譜1，根據(jù)情況可以用幾個(gè)分立圖對(duì)比呈現(xiàn)，也可以在一個(gè)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(jìn)行區(qū)分，明確標(biāo)示3，最好標(biāo)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(kuò)展性PhysicsLettersA375(2011)3314–3318MPSH圖耗內(nèi)存，不要將多個(gè)圖形存儲(chǔ)于一個(gè)文件中。態(tài)密度DOS輸運(yùn)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(diǎn)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(dòng)Nanotechnology19(2008)455203電壓降voltage-drop分析電阻存在的位置可以用來檢測(cè)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(shì)分布分析整流靜電勢(shì)分布不對(duì)稱導(dǎo)致正負(fù)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(yùn)系數(shù)譜分析NDR整流等現(xiàn)象偏壓變化下的軌道移動(dòng)偏壓變化下的軌道對(duì)應(yīng)的MPSH通過DOS、PDOS、LDOS解釋峰靜電勢(shì)分布偏壓變化下的輸運(yùn)譜移動(dòng)Appl.P