ATK建模与计算过程基本的介绍

Atomistix

ToolKit

(ATK)

面粉面包grapheneMoleculardevice插电设置烘烤参数建模设置计算参数5元50元SciencePhysicalB鸡蛋奶油坚果巧克力手性缺陷掺杂取代自旋ATK是一个基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法的第一性原理计算

方法,优势在于可以计算I-V特性。老版本AtomistixToolKit（ATK）AtomistixVirtualNanoLab（VNL）Part1：AtomistixToolKit（ATK）简介新版本界面改变，功能未变1：定义几何模型—即所有原子的坐标。对于两探针电极，需指明电极和中心或散射区域。对于这个任务，VNL包含了几个数据库和生成器。

2：接下来，你需要指定具体的计算，随着计算我们能得到一些需要的物理性质。这些在VNL中能用scriptgenerator（简写script）完成。1233：生成其他软件的脚本。（Vasp）45：提交计算任务。56：查看计算结果。64：脚本编辑。

（1

）用script的主要步骤是：

A:选择指定的计算方法，如DFT，半经验B:定义模型的参数（DFT）

，如k-pointsampling,theexchange-correlationfunctional,一些基本设计和其它数值的精确设定。在transport计算中还得设置偏压。C:选择要从计算中得到的物理性质，如总能量，能带结构，电子密度，DOS，PDOS，LDOS，PLDOS。D:你可以在script中设置使用几何优化，或分子动力学，一些与分子自旋相关的都能用initialspinconfiguration计算。scriptgenerator会产生一条python脚本，一般都会被推荐保存它以便以后使用。你可以在script内部的编辑器上编辑改变它。制作好的script（一般表示为script.py）可以把它放在JobManager中执行，或直接在工具中创建并编辑，也可以从文件系统中引用并使用。或者，你可以在体地电脑命令行中运行它，如：Atkpythonscript.py>script.logAtk运行的数据存在一个名叫NetCDF（.nc）的文件中，当你计算的时候可以指定一个script.nc。注意：新版本如果NetCDF没有提供绝对的路径，那文件将被直接保存在VNL开始的地方（一般你可以按工具栏上的home按扭）或script运行的地方。HereF:/myjob.nc控制输出文件的细节ATK软件能计算些什么？MPSHOrbitalDOS&PDOSLDOSPLDOS（2

）

ATK软件怎么建模，也就是需要知道哪些参量才能开始计算？电极结构+分子结构=模型

双电极或多电极器件体系（目前研究器件中电子输运的标准模型）

左电极+中间散射区+右电极中间散射区包含部分电极以此来屏蔽分子与电极间的干扰（3）ATK计算过程优化电极和分子体系的坐标构建电极和分子体系的坐标建立电极和分子体系的模型通过比较能量最低点找到分子与电极合理的连接方式和距离通过弛豫得到分子体系最合理、最理想的构型在左右电极加不同的偏压或加入门压得到电流值提取MPSH、TransmissionDOS、PDOS、进行分析得到电流性质的合理解释计算方法参考Phys.Rev.B65,1654012002.Part2：建立电极和分子体系的模型1电极模型分类:B)纳米电极（N-M-N）C)体电极与纳米电极结合（B-M-N）A)体电极（B-M-B）2建模注意事项:A)体电极（B-M-B）(a)设置电极大小与晶面取向，如3*3大小(111)晶面，电极大小要超过分子的三维尺寸，防止三维堆垛发生原子交叠重合。(b)散射区的电极层数最好大于或等于电极层数，否则会导致分子与电极的干扰，影响数值计算结果的准确性。B)纳米电极（N-M-N）散射区的电极层数最好大于或等于电极层数，否则会导致分子与电极的干扰，影响数值计算结果的准确性。新版本是先建立中间散射区，电极自动拓展出来。(b)在电极元包格子的XY方向一定要设定足够大的真空距离，电极处于格子中心。(c)如果电极尺寸小于分子尺寸(如石墨烯带-C60-石墨烯带),元包格子大小应超过C60三维尺寸。3建立分子模型(a)借助第三方建模软件(MS，GV)建模后导出坐标。(b)分子模型要首先进行结构弛豫，弛豫是分子键应该为全饱和状态，无悬挂键存在。(c)如果分子不是直接与电极相连，二者之间有链接原子，应带着链接原子一起优化。(d)如果研究分子结构形变，可以只对基态进行优化，不优化形变态。对于多重结构(如光敏分子)应该逐一优化结构。4分子与电极连接构成器件模型(a)利用软件自带功能，将分子模型拖拽入电极模型，调整分子与电极的耦合距离和耦合位置。(b)先根据分子要放置的位置调节分子坐标，然后组合。(c)分子是通过链接原子与电极相连的，可根据已有的实验数据或理论工作设定原子与电极的连接距离和连接位置。(d)如果没有文献支持，应根据总能最低原则，逐一计算一系列耦合距离，找出能量最低点，认为是合理的耦合距离。(e)分子与电极连接后应对整个体系进行结构弛豫，可以固定散射区电极原子坐标。VeryImportant1参数设定:大部分默认的参数已经经过验证，可以直接使用。A)BasisSet1，基组设置SZP和DZP精度足够2，对不同元素采用不同基组Part3：设定参数计算模型电子输运性质B)Kpoint1，K点的数目直接决定计算自洽收敛和结果精度2，体系尺寸大AB上的K点可以减少，纳米电极一般按一维电极对待，可以取13，C方向K点决定Fermi能级，有限尺寸模拟半无限电极结构，必须取足够大c)Electrontemperature1，提高electrontemperature可以解决收敛困难的问题2，高值影响计算结果3，可以先提高收敛，然后退火再计算D)Meshcut-off1，决定泊松方程的网格点2，取值越高，网格取点越密集，精确度越高，但计算量越大3，通过对比输运系数确定合适取值，避免计算资源浪费单位E)交换关联泛函1，包含了LDA，GGA，LSDA，SGGA等众多种类的泛函；

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选项：LSDA+U，SGGA+U(自旋问题)2，根据不同计算体系采用不同泛函，查文献F)收敛标准和步数1，决定自洽收敛的标准，越小结果精度越高，但计算时间越长2，对于难收敛的可以适当增加步数，但是无明显收敛趋势的应停止计算，先放宽参数，然后用收敛后的结果继续计算注意：泛函和基组的选择根据计算量和计算的精度来选择，泛函越严格基组越高，计算量越大，可能会出现计算不成功的现象。(a)电流约定从左到右为正值(b)输运系数T(E)不同偏压下的输运系数决定不同偏压下的电流。(c)前线轨道分布HOMOLUMO结合裸分子的轨道分析输运系数谱上的峰。Part4：计算结果输出(e)态密度DOS单位能量间隔内电子占据态的数目，呈连续曲线分布，高峰说明该能量位置电子占据多，零说明没有电子占据。(f)投影态密度PDOS可以按原子，LDOS按轨道(能量)投影，重点分析掺杂取代影响。(d)本征态MPSH3D图形查看分析分子轨道的扩展性(g)马利肯布居分析转移电荷或净电荷，帮助理解偏压下轨道的移动(h)电压降voltage-drop分析电阻存在的位置可以用来检测屏蔽层的效果(i)电子密度解释成键状态(j)静电势分布分析整流,开关零偏压输运系数谱1，根据情况可以用几个分立图对比呈现，也可以在一个图中呈现，利用matlab、origin画图。2，不同器件的曲线可以用颜色或者曲线式样进行区分，明确标示3，最好标示出前线分子轨道位置。本征态MPSH3D图形查看分析分子轨道的扩展性PhysicsLettersA375(2011)3314–3318MPSH图耗内存，不要将多个图形存储于一个文件中。态密度DOS输运有峰必有态有态不一定有峰投影态密度PDOS可以按原子，LDOS按轨道(能量)投影，重点分析掺杂取代影响。CARBON51：313(2013)马利肯布居分析转移电荷或净电荷，帮助理解偏压下轨道的移动Nanotechnology19(2008)455203电压降voltage-drop分析电阻存在的位置可以用来检测屏蔽层的效果CARBON51：313(2013)电子密度解释成键状态J.AM.CHEM.SOC.2010,132,11481–11486

静电势分布分析整流静电势分布不对称导致正负偏压电流值不相等呈现整流Appl.Phys.Lett.98,0921022011Appl.Phys.Lett.100,063107I-V曲线偏压变化下的输运系数谱分析NDR整流等现象偏压变化下的轨道移动偏压变化下的轨道对应的MPSH通过DOS、PDOS、LDOS解释峰静电势分布偏压变化下的输运谱移动Appl.P