チュートリアル

Atomistix ToolKitやVirtual Nano Labの使用法を解説したチュートリアルを紹介します。なお、お手数ですがQuantumWise社製品のチュートリアルをダウンロードいただくためにはメンバー登録が必要です。メンバー登録はどなた様でも無料で行うことができますメンバー登録はこちらからお願いいたします。

目次

基礎チュートリアル

  • ATK&VNLの基礎チュートリアル
  • ATK&VNLの基礎的な使い方を学ぶために次の項目を解説するチュートリアルです
    • GGA計算における、シリコンのバンド構造とtotal energyのK点依存性
    • Si構造の構造最適化
    • 構造最適化した系でのバンド構造とDOSの計算
    • 構造最適化した系でのフォノンバンドの計算と実験値との比較
    • 求めた振動モードのアニメ化及び振動数の計算
    • 構造最適化した系を使ったSi(100)表面構造の最適化

図 Si(100)表面構造の最適化

ATK&VNLの基礎チュートリアルのダウンロードはこちらから (PDF形式) (Version2016用)

  • グラフェン単位格子の作成とバンド計算の実行とBloch波の表示
  • 本チュートリアルでは、グラフェン単位格子の作成とバンド計算の実行とBloch波の表示をVirtual NanoLab(VNL)を使用して行うことにより、Atomistix ToolKit(ATK)とVNLの基本操作を体験することができます。 初めてATKとVNLをご使用される方はこのチュートリアルを実施下さい。本チュートリアル内にはATK&VNLの無料トライアルバージョンのインストール法も記されています。

図 グラフェンのBloch波表示およびバンド図

グラフェン単位格子の作成とバンド計算の実行とBloch波の表示のダウンロードはこちらから(PDF形式)(Ver 2016用)

  • Auの一本鎖ワイヤーからなる2プローブ構造の構築と、ゼロバイアス、0.1バイアスにおける計算の実行と解析、およびPythonScriptによるI-Vカーブの計算
  • 本チュートリアルではAtomisitx ToolKit(ATK)の主要な機能であるナノデバイス構造体構築とその電流―電圧特性(I-Vカーブ)を計算する手法を解説します。初めてATKを用いてI−V特性を計算される方はこのチュートリアルを実施下さい。また本チュートリアルでは、Virtual NanoLabを用いたGUIからの操作だけでなく、ATKに導入されているPython ScriptベースのNano Languageを用いたI-Vカーブの計算も解説します。Nano LanguageによるI-Vカーブの計算は効率が良く、また計算のスピードアップも可能です。ぜひお試しください。本チュートリアル内にはATK&VNLの無料トライアルバージョンのインストール法も記されています。

図 左GUIによる計算設定画面、右NanoLanguageによるI-Vカーブ設定画面

Auの一本鎖ワイヤーからなる2プローブ構造の構築と、ゼロバイアス、0.1バイアスにおける計算の実行と解析、およびPythonScriptによるI-Vカーブの計算(Ver 2016用)

応用チュートリアル

  • Ag基盤存在下および不在化におけるMgO(001)薄膜表面上における水のO-H結合の開裂反応解析
  • MgO薄膜表面上で起こる水分子のO-H結合開裂反応(上図)をATKに搭載されたNEB(Nudged Elastic Band)法により解析し、反応の活性化エネルギーおよび反応熱を求めます。

図 MgO上のH2O開裂反応解析

Ag基盤存在下および不在化におけるMgO(001)薄膜表面上における水のO-H結合の開裂反応解析のダウンロードはこちらから(Version2016)。

  • Graphene On Silicon 2プローブ構造の作成とSCF計算の実行と透過係数、およびLDOSの計算
  • 本チュートリアルではVirtual NanoLab(VNL)のBuilder機能を用いて比較的複雑な2プローブ構造を構築する方法を紹介します。2プローブ構造としてSiCのBulk表面上に単層グラフェンを配置したGraphene On Silicon構造を選びます。このような複雑な構造体もVNLのBuilder機能によりマウス操作のみで構築することが可能です。さらに本構造の電子状態を解析しLocal Device Density of State(LDDOS)を表示する手法も紹介します。

図 左Graphene On Silicon 2プローブ構造、右2プローブ構造のLDDOS

Graphene On Silicon 2プローブ構造の作成とSCF計算の実行と透過係数、およびLDOSの計算のダウンロードはこちらから(Ver 13.8用)。

  • Au−DTB−Au、2プローブ構造の作成とSCF計算および透過係数、DOS、PDOS,LDOS、MPSH計算の実行と解析
  • 本チュートリアルでは代表的な分子デバイスであるDTB(p- benzenedithiolate)を金電極に挟んだ2プローブ構造に関しての構造の構築法と電気伝導特性の解析を紹介します。電気伝導の解析法として、透過係数、DOS、PDOS、LDOSの計算方法を紹介します。これらの解析から、DTB内のどのような電子状態がデバイスの電気伝導特性に重要であるかを理解します。

図 右DDOSおよび透過係数、左デバイスのMPSHの実空間表示

Au−DTB−Au、2プローブ構造の作成とSCF計算および透過係数、DOS、PDOS,LDOS、MPSH計算の実行と解析のダウンロードはこちらから(Ver 2016用)。

  • 熱電性能シミュレーション
  • Atomistix ToolKitにより熱電変換素子の熱電特性を示す様々な物性値(ゼーベック係数、熱伝導率、ZT等)をシミュレーションすることが可能です。本チュートリアルではグラフェンのゼーベック係数の解析手法を紹介します。この結果は東京理科大学工学部山本研究室との共同研究により発表した論文Jpn. J. Appl. Phys. 52, 06GD05 (2013).の一部を再現します。

図 グラフェンナノリボンのゼーベック係数

熱電性能シミュレーションのダウンロードはこちらから(PDF形式)(Version2016)。

  • 2層グラフェン単位格子の作成と電場印加時のバンド計算
  • グラフェンは高い電子移動度を与える特性がありますが、バンドギャップがなくスイッチング素子等を作成する場合にOn/OFF動作ができずグラフェンデバイス作成の制約となっています。グラフェンにバンドギャップを与える手法はいくつか報告されていますが、本チュートリアルでは2層グラフェンに垂直電界が与えバンドギャップを与える手法に関してAtomixtix ToolKit(ATK)を用いてシミュレーションを行います。本チュートリアルでは2層グラフェンの簡便な構造構築とATK上での構造への電界印加の方法が学べます。

2層グラフェン単位格子の作成と電場印加時のバンド計算のダウンロードはこちらから(PDF形式)(Version2016用)。

  • シリコンPN接合におけるI-V曲線と局所状態密度
  • 現在使われている半導体素子は、しばしばドーピングにより、キャリア濃度を制御して使われています。実際の半導体(Si等)のドーピングは不純物元素を用いて行われますが、そのドーピング濃度は1015個/cm3程度であり、おおよそSi原子107個に1個の割合で不純物元素が存在することになります。もし不純物元素を含んだSi構造のシミュレーションを行おうとすると、Si原子1000万原子を取り扱うことになり、現在の計算機の能力を考えると現実的ではありません。そこでこのチュートリアルでは、不純物を表現するために、系の電荷をわずかに変化させる手法について紹介します。まず、系を二つの部分に分け、半分は電荷をわずかに増加させN型半導体を表現し、他の半分は電荷をわずかに減少させP型半導体を表現します。また全体の構造はPN接合構造を表現し、PN接合構造の電子輸送特性を計算していきます。

    ここではドーピングの例として一般的なn型シリコンとP型シリコンのN接合についてのシミュレーションを行います。また本シミュレーションでは、
    • シリコンのバンド計算
    • Slater-Koster計算との比較によるMGGAのcパラメータ設定
    • PN接合の構造構築
    • I-V曲線の計算方法
    • 局所状態密度の計算方法
    が学べます。

    図 シリコンPN接合の局所状態密度

    シリコンPN接合におけるI-V曲線と局所状態密度のダウンロードはこちらから(Ver2016)
  • グラフェンにおけるキャリア移動度の温度依存性
  • 現在の電子デバイスは、微細化により、その性能を向上させてきました。しかし、近年ではデバイスの発熱による影響が顕著になり、デバイスを作成する際の問題になっております。そこで、本チュートリアルでは、熱効果の一例として、次世代材料におけるフォノン散乱移動度の温度依存性を求めます。移動度は電子のブロッホ状態とエネルギーを使いボルツマン方程式によって求め、フォノンのモード数とエネルギーから電子-フォノン相互作用をDFT計算によって求めます。これらの計算は2015年版に搭載された「ElectronPhononCoupling」モジュール、「DeformaitonPotential」モジュール、「Mobility」モジュールによって簡単に求めることが出来ます。

    本チュートリアルでは、
    • グラフェンの構造最適化とバンド計算
    • グラフェンのフォノンバンド計算とアニメーション化
    • 電子‐フォノン相互作用の計算
    • 電子移動度の計算
    が学べます。
    グラフェンにおけるキャリア移動度の温度依存性のダウンロードはこちらから(Ver2015対応版)

チュートリアル(英語)


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