量子輸運程序Nanodcal在材料計算及物理教學中的應用

馮雨 周廷

摘 要：為了使學習者在計算材料學中對材料結構特性有一個清晰的物理圖像，開展現代教育技術輔助計算材料學的教學和研究，利用量子輸運程序Nanodcal可以對相關材料進行模型構建和計算分析，一方面可以使學習者形象生動的理解計算材料學的知識點;另一方面可以激發學習者研究興趣，培養其探索和解決問題的能力。

關鍵詞：計算材料學 物理教學 現代教育技術

社會的發展離不開對材料學的研究，先進的材料可以幫助人類解決信息、能源等方面的問題。最初，新型材料的研制以及對其性能的探索只依賴于實驗，對材料微米級別的研究并不能完全揭示其結構和性能，而對材料納米級別的研究需要更精密的儀器以及更多的資金。另一方面，傳統的理論研究方法已經無法對新型材料相關特性給出解析表達。利用高性能計算機進行模擬和計算為材料研究提供了新的強有力手段，可以在虛擬環境下設置高溫高壓、電場、磁場等外界環境，模擬材料在不同條件下性能的變化規律。計算材料學已經成為材料理論研究與材料實驗研究之間的重要紐帶。在對材料進行計算時，首先要根據材料的類型、所需要的外界條件等因素選擇合適的計算方法。

在計算材料領域，對自旋電子學器件輸運性質的計算一直是人們重點關注的方向。電子除了電荷屬性之外，還具有自旋屬性。由于自旋電子學器件具有更低的能耗，更強大的數據儲存能力、更快速地信息處理能力等特點，在磁記錄讀出磁頭、磁傳感器、磁性隨機存儲器及量子計算機等領域有著廣闊的應用前景。磁隧道結是自旋電子學最重要的器件之一，要得到隧道磁電阻值需求解器件模型的隧穿系數，而復雜器件的隧穿系數很難通過傳統計算方法得到解析解。Nanodcal程序包可以有效地解決這一難題。

Nanodcal是國內一款具有自主知識產權的輸運軟件，可以模擬器件材料中的非線性、非平衡的自旋輸運、熱輸運等量子輸運過程，可以計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、分波態密度、軌道態密度、自旋注入效率、隧道磁電阻和熱電流等性質。目前，Nanodcal已廣泛地應用于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、半導體電子器件設計等重要研究課題中。

一、利用Nanodcal程序建立材料模型結構

通過計算獲得材料相關特性的前提是建立材料的模型結構。而一些特殊材料具有復雜的嵌套結構，需要學習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直接導入大部分常見的材料模型。在Device Studio軟件中的import→material中包含了0維、1維、2維、3維以及有機材料的眾多模型結構。例如在3維材料中包括了導體、絕緣體、層狀材料、磁性材料、金屬氧化物、半導體材料的模型結構。當我們輸入相應的模型結構后，便可以在操作窗口對其進行三維可視化觀察^[1]。

此外Device Studio軟件也為學習者提供了自主設計材料結構的功能。在Build→Crystal頁面中有包括了P1、P2、PM等所有的空間群結構，建立晶格所需的晶格長度a、b、c和角度α、β、γ;建立好晶格之后，可以通過院子添加按鈕“Add atom”添加元素周期表中的任意一元素，并可以設置原子坐標。

二、利用Nanodcal程序了解結構特性

當建立好模型后，點擊任意原子就會在Device Studio的性質欄中讀取到選中原子的名稱、坐標等相關信息;利用“Distance”按鈕可以測量任意兩原子之間的間距，利用“Angle”按鈕可以測量夾角，利用“Move”按鈕可以移動原子位置;在Build→Redifine Crystal頁面中，可以將結構進行n×m×l擴胞操作，在Build→Surface/Slab頁面中，可以將結構沿（1 0 0）、（0 1 0）、（1 1 0）等晶面進行切割得到材料的表面結構。Nanodcal程序的配套軟件Device Studio涵蓋了對材料幾乎所有的操作手段，能夠非常直觀清晰地幫助學習者了解材料結構特性并對材料結構進行相應的調整^[2]。

三、利用Nanodcal程序計算材料性質

對塊體材料，Nanodcal程序可以計算其系統總能量、電子能帶結構、電子全能帶和復能帶、聲子能帶和態密度、載流子有效質量、彈性模量以及Seebeck系數等性質;對器件材料，可以對器件本征散射態計算從而得到實空間散射波函數，此外還可以計算電子透射譜、散射態、不同偏置電壓下的電流、光電流等性質。例如，要計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頁面中進行參數設置，在基礎設置中，可以選擇不同的截斷能以及x、y、z三個方向的k點;在高級設置中，可以選擇收斂標準，每種元素的勢以及初始自旋極化方式和極化率。設置好參數后，軟件會自動生成計算所需的文件scf.input，將該文件上傳至服務器進行計算，即可得到器件的電子透射譜^[3]。

結語

Nanodcal程序以及配套的Device Studio軟件在操作上友好簡單，可以很好地幫助學習者了解材料的結構和性質，可以使抽象乏味的教學變得生動簡單，可以為學習者建立清晰的物理圖像，優化了課堂教學模式，引起學習者興趣。

參考文獻

[1]于永寧.材料科學基礎[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]堅增運，劉翠霞，呂志剛.計算材料學[M].化學工業出版社，2012.

[3]鄒小龍.低維體系的計算材料學[M].科學出版社，2019.