Nanodcal分子電子學(xué)的電子透射譜計(jì)算

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性、非平衡的量子輸運(yùn)過程，是目前國內(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分子電子學(xué)3.2.2.4-3.2.2.7的內(nèi)容。

3.2.2.4. 電子透射譜計(jì)算

（1）準(zhǔn)備輸入文件transmission.input

（2）電子透射譜計(jì)算：見本節(jié)自洽計(jì)

（3）電子透射譜數(shù)據(jù)提取

計(jì)算結(jié)束后，會(huì)產(chǎn)生以下輸出文件：Transmission.mat在transmission文件夾下，運(yùn)行trans.m，命令窗口輸入：

>> trans.m

腳本內(nèi)容如下：

運(yùn)行之后得到trans.txt文件，第一列數(shù)據(jù)為energyPoints，第二列數(shù)據(jù)為transmissionCoefficients。

3.2.2.5. 電流計(jì)算

（1）準(zhǔn)備輸入文件ivc.input

計(jì)算結(jié)束后，會(huì)產(chǎn)生以下輸出文件：CurrentVoltageCurves.mat

（2）處理數(shù)據(jù)如下：

3.2.2.6. 計(jì)算結(jié)果和分析

(1)control體系在不同偏壓下的transmission

首先計(jì)算了不同的偏壓control體系（只包含C9H5NS2分子）的自洽，偏壓值[-0.5 0.5]間隔為0.1eV，我們設(shè)置bottom電極為0，只改變top電極自洽輸入文件參考3.2.2.2.1， 只需將system.voltageOfLead1或 system.voltageOfLead2 的數(shù)值修改成自己想要的數(shù)值。例如加0.1eV偏壓的設(shè)置如下：

自洽完成之后，進(jìn)一步計(jì)算不同偏壓下的control體系的transmission。使用trans.m將transmissionCoefficients的數(shù)據(jù)保存到trans.txt中，之后使用作圖軟件將不同偏壓下的電子透射譜畫出來，如圖 3-45所示：

圖 3-45: 不同偏壓下control體系的電子透射譜

偏壓范圍[-0.5 0.5]，間隔0.1。藍(lán)色的表示負(fù)偏壓下的transmission，黑色的表示零偏壓下的transmission，紅色的表示正偏壓下的transmission。

從上圖中我們可以看出不同偏壓下control體系的transmission的是不一樣的，每條transmission曲線都存在著一個(gè)很高的主峰。隨著偏壓的增加，transmission主峰的位置向右移動(dòng)，這是由于transmission主峰的位置對(duì)應(yīng)了一個(gè)特定的能級(jí)， 當(dāng)偏壓改變的時(shí)候，這就會(huì)使得費(fèi)米能級(jí)發(fā)生變化，從而在transmission中表現(xiàn)出來的就是峰位的移動(dòng)。

(2)零偏壓下H+、K+陽離子對(duì)體系transmission的影響

為了研究在C9H5NS2附近加H+和K+陽離子對(duì)體系輸運(yùn)性質(zhì)的影響。我們先對(duì)零偏壓下H+和K+體系進(jìn)行自洽，之后計(jì)算了transmission，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入作圖軟件中作圖，如圖 3-46所示：

圖 3-46: 零偏壓下control體系（只包含C9H5NS2），C9H5NS2-H+體系，C9H5NS2-K+體系的電子透射譜

從上圖中我們可以看出加H+和K+陽離子的體系的主峰都在0eV附近，而control體系的主峰在0.29eV。主峰的偏移主要是由于陽離子對(duì)C9H5NS2的能級(jí)產(chǎn)生了影響。此外，我們還可以發(fā)現(xiàn)加H+和K+陽離子的體系在費(fèi)米能級(jí)以上還存在著一些峰，這些峰主要是由一些費(fèi)米能級(jí)之上的能級(jí)貢獻(xiàn)的。

(3)H+、K+陽離子對(duì)體系I-V曲線的影響

我們計(jì)算了偏壓值[-0.5 0.5]間隔為0.1eV，control、H+和K+體系的自洽，自洽完成之后，進(jìn)一步計(jì)算了不同偏壓下，control、H+和K+體系的I-V曲線。之后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入作圖軟件中作圖，如圖 3-47所示：

圖 3-47control體系（只包含C9H5NS2），C9H5NS2-H+體系，C9H5NS2-K+體系的I-V曲線

從上圖我們可以看到，control體系的電流在-0.5V的時(shí)候是-3.3062μA，在0.5V的時(shí)候是3.2561μA。此時(shí)電壓電流接近于線性。對(duì)于加H+和K+兩種陽離子的體系電壓電流的關(guān)系已經(jīng)不再是線性的了， 這是因?yàn)橄啾菴9H5NS2體系加了陽離子之后的體系，嚴(yán)重的破壞了體系的對(duì)稱性。與此同時(shí)我們可以發(fā)現(xiàn)，在正偏壓下，加H+和K+陽離子的體系的電壓電流關(guān)系基本一致， 在負(fù)偏壓下，加K+的電流要明顯大于加H+的電流。根據(jù)這個(gè)特性，我們很容易的就能區(qū)分正一價(jià)陽離子的種類。因此Al-C9H5NS2-Al可以作為一個(gè)很好的單分子電子傳感器，用來區(qū)分正一價(jià)的陽離子。

3.2.2.7. 總結(jié)

偏壓的改變會(huì)使得費(fèi)米能級(jí)發(fā)生變化，這必將導(dǎo)致transmission主峰位置發(fā)生偏移。在C9H5NS2附近加H+和K+陽離子之后，嚴(yán)重的破壞了體系的對(duì)稱性，同時(shí)對(duì)原有的能級(jí)產(chǎn)生了影響，這使得transmission的主峰位置發(fā)生了變化，同時(shí)在費(fèi)米能級(jí)之上產(chǎn)生了一些其他的峰。與此同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，在正偏壓下，加H+和K+陽離子的體系的電壓電流關(guān)系基本一致，在負(fù)偏壓下，加K+離子的電流要明顯大于加H+離子的電流。根據(jù)這個(gè)特性，Al-C9H5NS2-Al可以作為一個(gè)很好的單分子電子傳感器，用來區(qū)分正一價(jià)的陽離子。