Nanodcal半導(dǎo)體器件的復(fù)能帶計(jì)算功能

Nanodcal是一款基于非平衡態(tài)格林函數(shù)-密度泛函理論（NEGF - DFT）的第一性原理計(jì)算軟件，主要用于模擬器件材料中的非線(xiàn)性、非平衡的量子輸運(yùn)過(guò)程，是目前國(guó)內(nèi)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于第一性原理的輸運(yùn)軟件?？深A(yù)測(cè)材料的電流 - 電壓特性、電子透射幾率等眾多輸運(yùn)性質(zhì)。

迄今為止，Nanodcal 已成功應(yīng)用于1維、2維、3維材料物性、分子電子器件、自旋電子器件、光電流器件、半導(dǎo)體電子器件設(shè)計(jì)等重要研究課題中，并將逐步推廣到更廣闊的電子輸運(yùn)性質(zhì)研究的領(lǐng)域。

本期將給大家介紹Nanodcal半導(dǎo)體器件2.3的內(nèi)容。

2.3. 復(fù)能帶計(jì)算

對(duì)于周期性固體，薛定諤方程Hψ_nk=E_nkSψ_nk(S為重疊矩陣)中的ψ_nk可以寫(xiě)為ψ_nk(r)=e^-ik?rU_nk(r) ，這里的U_nk(r) 是與晶體自身周期性相同的周期函數(shù)。在一般的能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算中，波矢量k為實(shí)數(shù)，通過(guò)求解上述的薛定諤方程得到不同k(通常位于第一布里淵區(qū)的高對(duì)稱(chēng)線(xiàn)上)值對(duì)應(yīng)的本征矢量，由此確定本征能量E _nk(即能帶結(jié)構(gòu))。

在計(jì)算復(fù)能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，固定能量E，求解滿(mǎn)足薛定諤方程的k值。這種解法可以得到實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)的k，實(shí)數(shù)k的解是通常的Bloch態(tài)，而帶有虛部的解是在一個(gè)方向上呈指數(shù)遞減，相反方向上遞增。這樣的解通常不能穩(wěn)定存在于塊體材料中，因此在能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算中通常被忽略。然而，它們可以存在于表面或界面處，并且可以提供關(guān)于電子態(tài)如何在材料中衰減的信息，例如電子態(tài)如何通過(guò)一個(gè)薄的隧道勢(shì)壘。

以Si(100)為例：

用Device Studio建模后生成相關(guān)輸入文件

2.3.1. 準(zhǔn)備及檢查輸入文件

結(jié)構(gòu)文件、參數(shù)文件:scf.input；基組文件：Si_LDA_DZP?.nad

2.3.2. Nanodcal服務(wù)器計(jì)算

（1）連接服務(wù)器：在Job Manager所示界面中點(diǎn)擊設(shè)置按鈕，彈出MachineOptions界面，在該界面選擇中點(diǎn)擊New按鈕，彈出MachineSet界面，在該界面中填寫(xiě)Computer Name、HostIp、port、Username、Password等一系列信息，點(diǎn)擊OK按鈕則在MachineOptions界面中添加了裝有Nanodcal的服務(wù)器。

圖 2-9：連接服務(wù)器操作界面圖

（2）自洽計(jì)算：在選擇nanodcal服務(wù)器后，選中scf.input右擊run后會(huì)出現(xiàn)以下界面：

圖 2-10：Run界面圖

根據(jù)計(jì)算需要設(shè)置參數(shù)后點(diǎn)擊save按鈕保存相應(yīng)的pbs腳本，然后點(diǎn)擊run進(jìn)行計(jì)算。等待計(jì)算完畢后點(diǎn)擊Action下的下載按鈕下載NanodcalObject.mat文件。

（3）電子復(fù)能帶計(jì)算：與第2步一樣選中cband.input右擊run。等待計(jì)算完畢后點(diǎn)擊Action下的下載按鈕下載ComplexBandStructure.mat;ComplexBandStructure.fig文件。

2.3.3. 可視化分析

在Device Studio的Project Explorer區(qū)域選中能帶計(jì)算結(jié)果文件ComplexBandStructure.fig→右擊→Show View，彈出能帶可視化分析界面，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，如下圖所示

圖 2-11：Si(100)的復(fù)能帶圖

復(fù)能帶的研究意義：

復(fù)能帶結(jié)構(gòu)可以用來(lái)描述周期性材料中容易消失的電子態(tài)，并用于費(fèi)米能級(jí)校準(zhǔn)、金屬誘導(dǎo)的間隙態(tài)、邊緣/雜質(zhì)態(tài)以及電導(dǎo)-長(zhǎng)度依賴(lài)性。從復(fù)能帶上不同點(diǎn)的波函數(shù)形態(tài)可以看出本征態(tài)的衰減速率。

對(duì)于導(dǎo)電結(jié)，很自然地可以通過(guò)材料的電導(dǎo)-長(zhǎng)度依賴(lài)性β來(lái)表征材料，此依賴(lài)性可以通過(guò)計(jì)算復(fù)能帶獲得。利用復(fù)能帶和DFT-NEGF-Landauer輸運(yùn)兩種基本理論都可以對(duì)β進(jìn)行理論估計(jì)，復(fù)布洛赫波和傳輸本征通道都揭示了單個(gè)態(tài)β的信息。由復(fù)能帶可以確定最導(dǎo)電狀態(tài)的衰減常數(shù)的計(jì)算，以及分子結(jié)和半導(dǎo)體結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)DFT-NEGF輸運(yùn)計(jì)算。結(jié)果表明，盡管這兩種方法的性質(zhì)不同，但分子結(jié)的衰減系數(shù)計(jì)算值有很強(qiáng)的一致性，而半導(dǎo)體結(jié)的衰減系數(shù)計(jì)算結(jié)果存在一定的差異。

復(fù)能帶與電子透射有著緊密的聯(lián)系。在分子結(jié)中，可以通過(guò)復(fù)能帶找到總透射和單個(gè)態(tài)透射本征值對(duì)長(zhǎng)度的依賴(lài)性，進(jìn)而直觀地給出電子態(tài)的隧穿行為。這對(duì)理解分子結(jié)的輸運(yùn)特性提供了一個(gè)有利的窗口。