MobCal程序

MobCal以Nanodcal程序为基础,是一款在第一性原理框架下利用费米黄金定则计算电声耦合下电子跃迁矩阵,求解电声散射率的专用软件。通过得到的散射率矩阵,软件可以计算出材料在电声作用下电子的弛豫时间,再由电子的弛豫时间计算金属材料中电子的平均自由程,以及半导体材料中电子和空穴的迁移率。

算例:Cu

下面以体心立方的Cu为例,简单说明计算其电声散射率及电子平均自由程。


1 构建并自洽计算Cu的fcc晶胞结构 


建立计算文件夹‘./EP_Cu’,在其目录下构建Cu的fcc晶胞,并用 Nanodcal 进行自洽计算,得到 'NanodcalObject.mat'。


需要准备的文件包括 ‘scf.input’, ’Cu_DZP.nad’ 及 ’Cu.xyz’。


2 构建Cu超胞并自洽计算各超胞电子结构


在计算文件夹‘./EP_Cu’下,生成Cu的[4 4 4]超胞结构。Cu 原胞中只包含 1个原子,因此会在 ’./EP_Cu/NanodcalResults/’ 目录下生成 4 个文件夹,且每个文件夹下均生成自洽计算输入文件 ‘scf.input’和‘center.xyz’ 。


通过Nanodcal软件在各文件夹中进行自洽计算,并得到 ‘NanodcalObject.mat’ 文件。


由于计算的是Cu的平均自由程,需要用Nanodcal计算Cu晶胞的复能带,为MobCal计算费米速度提供数据。


3 计算Cu晶胞的声子能谱信息


进入文件夹 ‘./EP_Cu/NanodcalResults/0’,第2步中同时生成了nanodcal 计算Hessian矩阵与声子能谱的输入文件‘hessian.input’, ‘phononbs.input’与‘phononfullbs.input’。在nanodcal执行hessian计算得到 ‘Hessian.mat’ 海森矩阵。


此时用户可以根据需要计算Cu晶胞声子能谱图,计算完成得到声子能谱‘PhononBandStructure.mat’及‘PhononBandStructure.fig’。其中 ‘PhonoBandStrucutre.fig’如下图所示: 


640.webp.jpg


接下来计算声子全 q 空间的能谱,得到声子全 q 空间的声子能谱文件 ‘PhononFullBandStructure.mat’。


4 生成Cu晶胞电声耦合项数据文件


在生成完超胞结构,并完成各自系统的自洽计算后,回到路径‘./EP_Cu’,运行mobcal计算得到 ‘HDIFF.mat’,包含电子声子耦合项数据。


5 进行MobCal自查工作


进入路径‘./EP_Cu’,根据前面的计算结果,进行自查。自查通过提示准备工作已经完毕,可以进入 Cu 晶胞的平均自由程计算。


6 计算Cu的fcc晶胞的平均自由程


继续在输入文件‘SR.input’添加相应参数并执行计算,得到输出文件 ‘MobCal.mat’。

参考文献:

[1] N. W. Ashcroft and N. D. Mermin, Solid state Physics, Cornell University, 1976.


[2] Z. G. Shuai, L. J. Wang, and C. C. Song. Theory of Charge Transport in Carbon Electronic Materials,2011.


[3] Z. Stanojevic, and H. Kosina, in 2014 International Conference on Simula- tion of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD),IEEE, Piscataway, NJ, 2014, pp. 181C184.


[4] W. X. Zhang, C. Delerue, Y. M.Niquet, G. Allan and E. G. Wang. Phys. Rev. B, 82, 115319, 2010.


[5] Tao Ji, Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy in Molecular Electronic Devices from First-Principles, Mcgill PhD thesis, 2010.


[6] T. Gunst, T. Markussen, K. Stokbro, and M. Brandbyge, Phys. Rev. B 93, 035414, 2016.


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