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Materials Studio官方教程：DMol3——模拟电子输运

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目的：介绍在使用DMol3对输运器件计算的方法。
所用模块：Materials Visualizer、DMol3
前提条件：构建用于电子输运计算的输运器件可视化模型（Building transport devices for electron transport calculations Visualizer）教程
背景
DMol3中的电子输运任务采用非平衡格林函数（NEGF）形式模拟两个电极之间的电子输运。利用电子输运任务可计算输运函数和电流-电压特性。
介绍
在本教程中，将学习使用DMol3模块计算连接到两个氢链电极的锂岛的输运特性。
本教程包括如下部分：

  • 开始

  • 初步准备计算结构模型

  • 设置电子输运计算参数

  • 分析输运函数

  • 分析电流-电压特性

  • 分析电荷密度和电势
注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将工程中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。
1、开始
首先启动Materials Studio并创建一个新工程。
打开New Project对话框，输入DMol3 Transport作为工程名，单击OK按钮。
新工程将以DMol3 Transport为工程名显示于Project Explorer中。
2、初步准备计算结构模型
首先导入器件结构。
从菜单栏中选择File | Import…，打开Import Document对话框。导航至并选中ExamplesDocuments3D ModelHChainLi4.xsd文件，单击Open按钮。
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器件结构
器件包含两个氢链和位于中心的四个锂原子岛。
3、设置电子输运计算参数
现在已经准备好用于DMol3电子输运计算任务的器件结构模型。
首先应设置器件输运的计算参数。
单击Modules工具条上的DMol3按钮Materials Studio官方教程：DMol3——模拟电子输运，选择Calculation，或从菜单栏中选择Modules | DMol3 | Calculation。
打开DMol3 Calculation对话框。
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DMol3 Calculation对话框的Setup选项卡
在Setup选项卡中，在Task下拉列表中选择Electron Transport。
单击More…按钮，打开DMol3 Transport对话框。
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DMol3 Transport对话框包含专门针对电子传输计算任务的设置参数。
确保勾选Calculate transmission function复选框。
这将计算电极之间的输运函数。可以修改输运函数的范围和步数，从而适合特定器件。能量范围是相对于电极的最低费米能量给出的。
在DMol3 Transport对话框的Setup选项卡上，单击Calculate transmission function之后的More…按钮，打开DMol3 Transmission对话框。将From设置为-2，To设置为3，步数Steps设置为1001。关闭对话框。
由于输运器件是开放式系统，因此在SCF循环期间不会储存电荷，并且通常容易出现电荷波动。因此，用于电荷混合的混合参数应小于DMol3中使用的正常混合参数。
在DMol3 Transport对话框的Setup选项卡上，将Mixing amplitude设置为0.015。
作为计算的一部分，每个电极将被建模为一个周期性结构，以便计算费米能级和器件计算过程中描述电极所需的其他性质。应该确保用于计算的k点数量足够大，以便正确预测费米能级和电极的电子结构。对于此计算，默认值25就足够了。
选择Electrodes选项卡。

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Electrodes选项卡显示有关氢电极的信息，并可修改其设置。此处将更改电极的名称，以便之后更容易识别。
将Electrode(1)的名称更改为source，将Electrode(2)的名称更改为drain。关闭DMol3 Transport对话框。
电极对象的名称也在3D原子文档中修改。
注意：如果使用Properties Explorer更改电极的名称，则电极将使用与新名称相关的所有设置。如果不存在任何设置，将应用默认设置。在DMol3 Transport对话框上更改名称时，当前设置将与新名称一起使用。
由于输运计算经常出现SCF循环不收敛的问题，因此可适当增加SCF循环的最大次数。
在DMol3 Calculation对话框的Electronic选项卡上，单击More…按钮，打开DMol3 Electronic Options对话框。
在SCF选项卡上，将Max. SCF cycles设置为500。
现在已准备好运行输运计算任务。
单击Run按钮。
将打开一个名为Status.txt的文本文档，显示计算任务的运行状态。该文档将实时更新，直到计算结束，可以作为了解计算进度的有效工具。输运计算只需几分钟即可完成。
现在将对同一器件设置电流计算参数。
关闭所有输出文件，使得最开始的HChainLi4.xsd为当前文档。
打开DMol3 Transport对话框，在Setup选项卡中，取消勾选Calculate transmission function复选框，并勾选Calculate current/voltage characteristics复选框。单击Calculate current/voltage characteristics后面的More…按钮，打开DMol3 Current/Voltage对话框。
将Vary potential for设置为source，将电势范围的From设置为0，To设置为1.5，Steps的数量设置为16。关闭对话框。
对于含偏压计算，可以通过减小泊松算法的网格间距来提高计算精度。
在DMol3 Transport对话框中选择Electrostatics选项卡。
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在DMol3 Transport对话框的Electrostatics选项卡中， 将Max. grid spacing设置为0.3。
可以计算电荷密度和静电势，以增进对器件的理解。
选择DMol3 Calculation对话框的Properties选项卡，选择Electron density性质，并勾选Deformation density选项卡。
选择Electrostatics选项卡，单击Grid…按钮，打开DMol3 Grid Parameters对话框。将Grid resolution设置为Fine。
已准备好运行该计算任务。
单击Run按钮，关闭对话框。
根据所使用的计算资源，当前计算可能需要几个小时。
4、分析输运函数
当输运计算结束后，结果将返回到Project Explorer中的HChainLi4 DMol3 Transport文件夹中。
从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。
在HChainLi4 DMol3 Transport文件夹中，双击HChainLi4.xsd。
将利用DMol3 Analysis模块对结果进行分析。
单击Modules工具条上的DMol3按钮Materials Studio官方教程：DMol3——模拟电子输运，选择Analysis，或从菜单栏中选择Modules | DMol3 | Analysis。
打开DMol3 Analysis对话框。
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从列表中选择Transmission，单击View按钮。关闭对话框。
将显示输运函数曲线。
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器件的输运函数图像将在Li岛具有态的地方出现峰值。如果态在岛和电极引线上都是非局域的，则峰值将被电极加宽，而如果态在岛上是强局域的，则峰值将是尖锐的。输运函数的能量是相对于电极的最低化学势绘制的。
5、分析电流–电压特性
当电流计算结束后，结果将返回到Project Explorer中的HChainLi4 DMol3 Transport (2)文件夹中。
在HChainLi4 DMol3 Transport (2)文件夹中，双击HChainLi4.xsd。
打开DMol3 Analysis对话框，选择Current/Voltage，单击View按钮。关闭对话框。
将显示电流–电压特性曲线。
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由于器件沿输运方向对称，可预计正负偏压的电流只相差一个符号。电流在漏极处测量，电压在源极处变化。所使用的惯例是，正电流表示电流从的器件电极处（测量位置）流出。
6、分析电荷密度和电势
在HChainLi4 DMol3 Transport (2)文件夹中，双击HChainLi4.xsd。
打开DMol3 Analysis对话框，选择Electron density。
在Density field下拉列表中选择Deformation density，单击Import按钮。
在HChainLi4.xsd文档中，打开Display style对话框。在Isosurface选项卡中，将Isovalue设置为0.015，将Type设置为+/-。
现在HChainLi4.xsd文档包含一个等值面，表示器件的形变密度。
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在HChainLi4 DMol3 Transport (2)文件夹中双击HChainLi4.xsd文件。
打开DMol3 Analysis对话框，选择Potentials。
在Potential field下拉列表中，选择Biased electrostatic potential。在Bias potential下拉列表中选择1.0 V。
单击Import按钮，导入该区域。
势场的最佳显示方式为穿过器件的一个切片。
在Volume visualization工具条中，单击Create slice按钮：Materials Studio官方教程：DMol3——模拟电子输运选择Parallel to A & B axis，并选择DMol3 electrostatic potential Ha*electron(-1)(1.0000 V)。
电势是以原子单位给出的，且具有接近原子的较大值。要查看器件上的电势降，需要更改色条的范围。
在Volume visualization工具条中单击Color maps按钮：Materials Studio官方教程：DMol3——模拟电子输运将From设置为-0.05，To设置为0.05。将Spectrum更改为Blue-White-Red。
电荷密度和静电电势的区域范围均设置为定义器件的范围。该范围可以扩展，以包括在DMol计算期间创建的器件的扩展部分。
在HChainLi4.xsd文档中，打开Display Style对话框，并在Field选项卡上将A的显示范围Display range设置为0.25和0.75。
HChainLi4.xsd文档中将显示穿过器件中心的电势切片。注意电势在器件的Li岛部分下降。
本教程到此结束。

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