量子輸運(yùn)程序Nanodcal在材料計(jì)算及物理教學(xué)中的應(yīng)用

馮雨 周廷

摘 要：為了使學(xué)習(xí)者在計(jì)算材料學(xué)中對(duì)材料結(jié)構(gòu)特性有一個(gè)清晰的物理圖像，開(kāi)展現(xiàn)代教育技術(shù)輔助計(jì)算材料學(xué)的教學(xué)和研究，利用量子輸運(yùn)程序Nanodcal可以對(duì)相關(guān)材料進(jìn)行模型構(gòu)建和計(jì)算分析，一方面可以使學(xué)習(xí)者形象生動(dòng)的理解計(jì)算材料學(xué)的知識(shí)點(diǎn);另一方面可以激發(fā)學(xué)習(xí)者研究興趣，培養(yǎng)其探索和解決問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算材料學(xué) 物理教學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)

社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)對(duì)材料學(xué)的研究，先進(jìn)的材料可以幫助人類(lèi)解決信息、能源等方面的問(wèn)題。最初，新型材料的研制以及對(duì)其性能的探索只依賴于實(shí)驗(yàn)，對(duì)材料微米級(jí)別的研究并不能完全揭示其結(jié)構(gòu)和性能，而對(duì)材料納米級(jí)別的研究需要更精密的儀器以及更多的資金。另一方面，傳統(tǒng)的理論研究方法已經(jīng)無(wú)法對(duì)新型材料相關(guān)特性給出解析表達(dá)。利用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬和計(jì)算為材料研究提供了新的強(qiáng)有力手段，可以在虛擬環(huán)境下設(shè)置高溫高壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等外界環(huán)境，模擬材料在不同條件下性能的變化規(guī)律。計(jì)算材料學(xué)已經(jīng)成為材料理論研究與材料實(shí)驗(yàn)研究之間的重要紐帶。在對(duì)材料進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先要根據(jù)材料的類(lèi)型、所需要的外界條件等因素選擇合適的計(jì)算方法。

在計(jì)算材料領(lǐng)域，對(duì)自旋電子學(xué)器件輸運(yùn)性質(zhì)的計(jì)算一直是人們重點(diǎn)關(guān)注的方向。電子除了電荷屬性之外，還具有自旋屬性。由于自旋電子學(xué)器件具有更低的能耗，更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力、更快速地信息處理能力等特點(diǎn)，在磁記錄讀出磁頭、磁傳感器、磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器及量子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。磁隧道結(jié)是自旋電子學(xué)最重要的器件之一，要得到隧道磁電阻值需求解器件模型的隧穿系數(shù)，而復(fù)雜器件的隧穿系數(shù)很難通過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算方法得到解析解。Nanodcal程序包可以有效地解決這一難題。

Nanodcal是國(guó)內(nèi)一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的輸運(yùn)軟件，可以模擬器件材料中的非線性、非平衡的自旋輸運(yùn)、熱輸運(yùn)等量子輸運(yùn)過(guò)程，可以計(jì)算器件在不同偏置電壓下的自旋極化電流和伏安特性以及透射譜、散射態(tài)、分波態(tài)密度、軌道態(tài)密度、自旋注入效率、隧道磁電阻和熱電流等性質(zhì)。目前，Nanodcal已廣泛地應(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。

一、利用Nanodcal程序建立材料模型結(jié)構(gòu)

通過(guò)計(jì)算獲得材料相關(guān)特性的前提是建立材料的模型結(jié)構(gòu)。而一些特殊材料具有復(fù)雜的嵌套結(jié)構(gòu)，需要學(xué)習(xí)者具有良好的三維想象力。我們可以用Nanodcal程序的配套軟件Device Studio直接導(dǎo)入大部分常見(jiàn)的材料模型。在Device Studio軟件中的import→material中包含了0維、1維、2維、3維以及有機(jī)材料的眾多模型結(jié)構(gòu)。例如在3維材料中包括了導(dǎo)體、絕緣體、層狀材料、磁性材料、金屬氧化物、半導(dǎo)體材料的模型結(jié)構(gòu)。當(dāng)我們輸入相應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)后，便可以在操作窗口對(duì)其進(jìn)行三維可視化觀察^[1]。

此外Device Studio軟件也為學(xué)習(xí)者提供了自主設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)的功能。在Build→Crystal頁(yè)面中有包括了P1、P2、PM等所有的空間群結(jié)構(gòu)，建立晶格所需的晶格長(zhǎng)度a、b、c和角度α、β、γ;建立好晶格之后，可以通過(guò)院子添加按鈕“Add atom”添加元素周期表中的任意一元素，并可以設(shè)置原子坐標(biāo)。

二、利用Nanodcal程序了解結(jié)構(gòu)特性

當(dāng)建立好模型后，點(diǎn)擊任意原子就會(huì)在Device Studio的性質(zhì)欄中讀取到選中原子的名稱、坐標(biāo)等相關(guān)信息;利用“Distance”按鈕可以測(cè)量任意兩原子之間的間距，利用“Angle”按鈕可以測(cè)量夾角，利用“Move”按鈕可以移動(dòng)原子位置;在Build→Redifine Crystal頁(yè)面中，可以將結(jié)構(gòu)進(jìn)行n×m×l擴(kuò)胞操作，在Build→Surface/Slab頁(yè)面中，可以將結(jié)構(gòu)沿（1 0 0）、（0 1 0）、（1 1 0）等晶面進(jìn)行切割得到材料的表面結(jié)構(gòu)。Nanodcal程序的配套軟件Device Studio涵蓋了對(duì)材料幾乎所有的操作手段，能夠非常直觀清晰地幫助學(xué)習(xí)者了解材料結(jié)構(gòu)特性并對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整^[2]。

三、利用Nanodcal程序計(jì)算材料性質(zhì)

對(duì)塊體材料，Nanodcal程序可以計(jì)算其系統(tǒng)總能量、電子能帶結(jié)構(gòu)、電子全能帶和復(fù)能帶、聲子能帶和態(tài)密度、載流子有效質(zhì)量、彈性模量以及Seebeck系數(shù)等性質(zhì);對(duì)器件材料，可以對(duì)器件本征散射態(tài)計(jì)算從而得到實(shí)空間散射波函數(shù)，此外還可以計(jì)算電子透射譜、散射態(tài)、不同偏置電壓下的電流、光電流等性質(zhì)。例如，要計(jì)算某一器件的電子透射譜，我們可以在Device Studio軟件的Simulator→Nanodcal→SCF Calculation頁(yè)面中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，在基礎(chǔ)設(shè)置中，可以選擇不同的截?cái)嗄芤约皒、y、z三個(gè)方向的k點(diǎn);在高級(jí)設(shè)置中，可以選擇收斂標(biāo)準(zhǔn)，每種元素的勢(shì)以及初始自旋極化方式和極化率。設(shè)置好參數(shù)后，軟件會(huì)自動(dòng)生成計(jì)算所需的文件scf.input，將該文件上傳至服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算，即可得到器件的電子透射譜^[3]。

結(jié)語(yǔ)

Nanodcal程序以及配套的Device Studio軟件在操作上友好簡(jiǎn)單，可以很好地幫助學(xué)習(xí)者了解材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，可以使抽象乏味的教學(xué)變得生動(dòng)簡(jiǎn)單，可以為學(xué)習(xí)者建立清晰的物理圖像，優(yōu)化了課堂教學(xué)模式，引起學(xué)習(xí)者興趣。

參考文獻(xiàn)

[1]于永寧.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]堅(jiān)增運(yùn)，劉翠霞，呂志剛.計(jì)算材料學(xué)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3]鄒小龍.低維體系的計(jì)算材料學(xué)[M].科學(xué)出版社，2019.