V 用V4.6計(jì)算晶體硅能帶實(shí)例 用第一原理計(jì)算和其它方法研究納米體系(碳納米管等)的電子和自旋結(jié)構(gòu)

1、VASPVienna Ab-initio Simulation PackageIntroductionIntroductionOutlineX. L. Liang, Hu Nan Normal University用計(jì)算晶體硅能帶實(shí)例用計(jì)算晶體硅能帶實(shí)例用第一原理計(jì)算和其它方法研究納米體系用第一原理計(jì)算和其它方法研究納米體系( (碳納米管碳納米管等等) )的電子和自旋結(jié)構(gòu)的電子和自旋結(jié)構(gòu)P. 1參考書記參考書記IntroductionP. 2 VASP是使用贗勢和平面波基組，進(jìn)行從頭量子力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的軟件包，它基于CASTEP 1989版開發(fā)。VAMP/VASP中的方法基于有限溫度下的局

2、域密度近似用自由能作為變量以及對(duì)每一MD步驟用有效矩陣對(duì)角方案和有效Pulay混合求解瞬時(shí)電子基態(tài)。這些技術(shù)可以防止原始的Car-Parrinello方法存在的一切問題，而后者是基于電子、離子運(yùn)動(dòng)方程同時(shí)積分的方法。離子和電子的相互作用超緩Vanderbilt贗勢(US-PP)或投影擴(kuò)充波(PAW)方法描述。兩種技術(shù)都可以相當(dāng)程度地減少過渡金屬或第一行元素的每個(gè)原子所必需的平面波數(shù)量。力與張量可以用VAMP/VASP很容易地計(jì)算，用于把原子衰減到其瞬時(shí)基態(tài)中。 P. 3VASP INPUT FILES POSCAR POTCAR KPOINTS INCAROUTPUT FILESOUTCAR

3、OSZICAR CONTCAR CHGCAR WAVECAR EIGENVAL PROCAR XDATCAR LOCPOT DOSCAR CHGStop VASP during the program execution STOPCAR LSTOP = .TRUE. (Ionic step) LABORT = .TRUE. (Electronic step)P. 4用計(jì)算晶體硅能帶實(shí)例用計(jì)算晶體硅能帶實(shí)例晶體硅的結(jié)構(gòu):它是兩個(gè)嵌套在一起的FCC布拉菲晶格，相對(duì)的位置為 (a/4,a/4,a/4), 其中是大的正方晶格的晶格常數(shù)。在計(jì)算中，我們采用FCC的原胞，每個(gè)原胞里有兩個(gè)硅原子。 VASP

4、計(jì)算需要以下的四個(gè)文件：INCAR控制參數(shù), KPOINTS倒空間撒點(diǎn), POSCAR原子坐標(biāo), POTCAR贗勢文件 為了計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)，我們首先要進(jìn)行一次自洽計(jì)算，得到體系正確的基態(tài)電子密度。然后固定此電荷分布，對(duì)于選定的特殊的K點(diǎn)進(jìn)一步進(jìn)行非自洽的能帶計(jì)算。 有了需要的K點(diǎn)的能量本征值，也就得到了我們所需要的能帶。 步驟一步驟一. .自洽計(jì)算產(chǎn)生正確的基態(tài)電子密度：以下是用到的各個(gè)文件樣本:INCAR 文件： P. 6 SYSTEM = Si Startparameter for this run: NWRITE = 2; LPETIM=F write-flag & timer P

5、REC = medium medium, high low ISTART = 0 job : 0-new 1-cont 2-samecut ICHARG = 2 charge: 1-file 2-atom 10-const ISPIN = 1 spin polarized calculation? Electronic Relaxation 1 NELM = 90; NELMIN= 8; NELMDL= 10 # of ELM steps EDIFF = 0.1E-03 stopping-criterion for ELM LREAL = .FALSE. real-space projecti

6、onIonic relaxation EDIFFG = 0.1E-02 stopping-criterion for IOM NSW = 0 number of steps for IOM IBRION = 2 ionic relax: 0-MD 1-quasi-New 2-CG ISIF = 2 stress and relaxationP. 7 POTIM = 0.10 time-step for ionic-motionTEIN = 0.0 initial temperature TEBEG = 0.0; TEEND = 0.0 temperature during run DOS re

7、lated values: ISMEAR = 0 ; SIGMA = 0.10 broadening in eV -4-tet -1-fermi 0-gaus Electronic relaxation 2 (details) Write flags LWAVE = T write WAVECAR LCHARG = T write CHGCAR P. 8VASP給INCAR文件中的很多參數(shù)都設(shè)置了默認(rèn)值，所以如果你對(duì)參數(shù)不熟悉，可以直接用默認(rèn)的參數(shù)值。 SYSTEM = SiSYSTEM = Si Startparameter for this run: Startparameter for

8、this run: PREC = medium medium, high low PREC = medium medium, high low ISTART = 0 job : 0-new 1- ISTART = 0 job : 0-new 1-cont 2-samecutcont 2-samecut ICHARG = 2 charge: 1-file 2- ICHARG = 2 charge: 1-file 2-atom 10-constatom 10-const EDIFF = 0.1E-03 stopping-criterion EDIFF = 0.1E-03 stopping-crit

9、erion for ELMfor ELM NSW = 0 number of steps NSW = 0 number of steps for IOMfor IOM IBRION = 2 ionic relax: 0-MD IBRION = 2 ionic relax: 0-MD 1-quasi-New 2-CG1-quasi-New 2-CG ISIF = 2 stress and ISIF = 2 stress and relaxationrelaxationP. 9采用自動(dòng)的Monkhorst-Pack K點(diǎn)撒取方式。對(duì)于類似于硅晶體的半導(dǎo)體材料，通常 4x4x4 的K點(diǎn)網(wǎng)格就夠了。

10、P. 10Monkhorst PackMonkhorst Pack0 0Monkhorst PackMonkhorst Pack4 4 44 4 40 0 00 0 0 ISIF = 2 stress and ISIF = 2 stress and relaxationrelaxationKPOINTS 文件： P. 11POSCAR 文件： 采用FCC原胞，所以每個(gè)原胞包含兩個(gè)硅原子 SiSiP. 12POTCAR 文件： 不需要進(jìn)行任何改動(dòng)，只需將POTCAR文件從正確的贗勢庫里拷貝過來就行了。 運(yùn)行VASP進(jìn)行完這一步的計(jì)算后，得到了自洽的電荷分布-CHGCAR文件。為了得到能帶結(jié)構(gòu)，需

11、要對(duì)指定的K點(diǎn)進(jìn)行非自洽的計(jì)算，然后將信息匯總，得到E-K的能帶關(guān)系。 步驟二步驟二.在固定電子密度的情況下，得到選取在固定電子密度的情況下，得到選取K K點(diǎn)的能量本征值。點(diǎn)的能量本征值。需要修改一下需要修改一下INCARINCAR文件中的局部參數(shù)文件中的局部參數(shù) ICHARG = 11 charge: 1-file 2-atom 10-constICHARG=11 表示從CHGCAR中讀入電荷分布，并且在計(jì)算中保持不變。 P. 11還需要更改KPOINT文件，來指定我們感興趣的某些高對(duì)稱性的K點(diǎn)。在中，可以通過Line mode來輕易實(shí)現(xiàn). k-points along high symme

12、try linesk-points along high symmetry lines 10 ! 10 intersections 10 ! 10 intersectionsLine-modeLine-moderecrec 0 0 0 ! gamma 0 0 0 ! gamma 0.5 0.5 0 ! X 0.5 0.5 0 ! X 0.0 0.0 0 ! gamma 0.0 0.0 0 ! gamma 0.5 0.5 0.5 ! L 0.5 0.5 0.5 ! L 通過指定Line-mode， VASP會(huì)自動(dòng)在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間插入指定的K點(diǎn)數(shù)，比方上面的文件就是指定VASP計(jì)算沿著Gamma點(diǎn)

13、到X點(diǎn)，以及Gamma點(diǎn)到L點(diǎn)的K點(diǎn)，每個(gè)方向上各取10個(gè)K點(diǎn)。以下圖是硅晶體的第一布里淵區(qū)，標(biāo)出了一些高對(duì)稱性點(diǎn)。 P. 5作如上修改后，我們?cè)俅芜\(yùn)行VASP，然后我們就可以從OUTCAR文件或者EIGENVAL文件里得到需要的每個(gè)K點(diǎn)的能級(jí)信息。 比方說EIGENVAL第一行就是K點(diǎn)的倒空間的坐標(biāo)，接下來的8行告訴我們?cè)谀莻€(gè)K點(diǎn)上的8個(gè)能級(jí)。你可以通過EXCEL或者ORIGIN之類的畫圖軟件可視化結(jié)果。由于現(xiàn)在手頭上已經(jīng)有了每個(gè)K點(diǎn)的能級(jí)信息，那么將這些K點(diǎn)的能級(jí)連接起來就是所需要的能帶圖了。以下圖是用以上步驟算得的硅的能帶圖。我們可以看到硅并非是直接能隙的材料。同時(shí)，由于我們用了LDA，

14、eV，eV。 P. 5P. 5單層碳納米管的磁輸運(yùn)特性Properties of magnetic transport in single-walled carbon nanotubes曾曉英 張振華 彭景翠 陳小華 摘要：依據(jù)磁場中Boltzmann輸運(yùn)方程及單層磁納米管(SWNTs)的能量色散關(guān)系,對(duì)單個(gè)SWNTs中軸向磁場誘發(fā)的低溫磁阻進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算.分析說明:當(dāng)電子以低能輸運(yùn)時(shí),SWNTs的磁阻有明顯的Aharonov-Bohn(A-B)效應(yīng),與并SWNTs的能隙相對(duì)應(yīng).關(guān)鍵詞：單層磁納米管;Boltzmann方程;能量色散關(guān)系;磁阻;A-B效應(yīng)分類號(hào)：O481.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章

15、編號(hào)：1000-0364(2002)01-0027-04用第一原理計(jì)算和其它方法研究納米體系用第一原理計(jì)算和其它方法研究納米體系(碳納米管等碳納米管等)的電子和自旋結(jié)構(gòu)的電子和自旋結(jié)構(gòu)P. 5P. 5用VASP具體的計(jì)算Partial Charge 例如，假設(shè)我們需要計(jì)算一個(gè)硅納米線的導(dǎo)帶和價(jià)帶的Partial Charge。硅納米線的結(jié)構(gòu)如下：P. 5硅納米線所對(duì)應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)圖如下： 硅納米線價(jià)帶頂部和導(dǎo)帶底部的Partial Charge如下： 1、?納米材料和納米結(jié)構(gòu)? 張立德 解思深2、?美國科學(xué)院報(bào)告 - 材料科學(xué)技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)?3、?MD(分子動(dòng)力學(xué)入門教程?4、?計(jì)算材料科學(xué)中的模型、算法和多尺度關(guān)聯(lián)?5、wangzhonglin? Nanoscience and Nan