冯雨 周廷
摘 要:为了使学习者在计算材料学中对材料结构特性有一个清晰的物理图像,开展现代教育技术辅助计算材料学的教学和研究,利用量子输运程序Nanodcal可以对相关材料进行模型构建和计算分析,一方面可以使学习者形象生动的理解计算材料学的知识点;另一方面可以激发学习者研究兴趣,培养其探索和解决问题的能力。
关键词:计算材料学 物理教学 现代教育技术
社会的发展离不开对材料学的研究,先进的材料可以帮助人类解决信息、能源等方面的问题。最初,新型材料的研制以及对其性能的探索只依赖于实验,对材料微米级别的研究并不能完全揭示其结构和性能,而对材料纳米级别的研究需要更精密的仪器以及更多的资金。另一方面,传统的理论研究方法已经无法对新型材料相关特性给出解析表达。利用高性能计算机进行模拟和计算为材料研究提供了新的强有力手段,可以在虚拟环境下设置高温高压、电场、磁场等外界环境,模拟材料在不同条件下性能的变化规律。计算材料学已经成为材料理论研究与材料实验研究之间的重要纽带。在对材料进行计算时,首先要根据材料的类型、所需要的外界条件等因素选择合适的计算方法。
在计算材料领域,对自旋电子学器件输运性质的计算一直是人们重点关注的方向。电子除了电荷属性之外,还具有自旋属性。由于自旋电子学器件具有更低的能耗,更强大的数据储存能力、更快速地信息处理能力等特点,在磁记录读出磁头、磁传感器、磁性随机存储器及量子计算机等领域有着广阔的应用前景。磁隧道结是自旋电子学最重要的器件之一,要得到隧道磁电阻值需求解器件模型的隧穿系数,而复杂器件的隧穿系数很难通过传统计算方法得到解析解。Nanodcal程序包可以有效地解决这一难题。
Nanodcal是国内一款具有自主知识产权的输运软件,可以模拟器件材料中的非线性、非平衡的自旋输运、热输运等量子输运过程,可以计算器件在不同偏置电压下的自旋极化电流和伏安特性以及透射谱、散射态、分波态密度、轨道态密度、自旋注入效率、隧道磁电阻和热电流等性质。目前,Nanodcal已广泛地应用于1维、2维、3维材料物性、分子电子器件、自旋电子器件、光电流器件、半导体电子器件设计等重要研究课题中。
一、利用Nanodcal程序建立材料模型结构
通过计算获得材料相关特性的前提是建立材料的模型结构。而一些特殊材料具有复杂的嵌套结构,需要学习者具有良好的三维想象力。我们可以用Nanodcal程序的配套软件Device Studio直接导入大部分常见的材料模型。在Device Studio软件中的import→material中包含了0维、1维、2维、3维以及有机材料的众多模型结构。例如在3维材料中包括了导体、绝缘体、层状材料、磁性材料、金属氧化物、半导体材料的模型结构。当我们输入相应的模型结构后,便可以在操作窗口对其进行三维可视化观察[1]。
此外Device Studio软件也为学习者提供了自主设计材料结构的功能。在Build→Crystal页面中有包括了P1、P2、PM等所有的空间群结构,建立晶格所需的晶格长度a、b、c和角度α、β、γ;建立好晶格之后,可以通过院子添加按钮“Add atom”添加元素周期表中的任意一元素,并可以设置原子坐标。
二、利用Nanodcal程序了解结构特性
當建立好模型后,点击任意原子就会在Device Studio的性质栏中读取到选中原子的名称、坐标等相关信息;利用“Distance”按钮可以测量任意两原子之间的间距,利用“Angle”按钮可以测量夹角,利用“Move”按钮可以移动原子位置;在Build→Redifine Crystal页面中,可以将结构进行n×m×l扩胞操作,在Build→Surface/Slab页面中,可以将结构沿(1 0 0)、(0 1 0)、(1 1 0)等晶面进行切割得到材料的表面结构。Nanodcal程序的配套软件Device Studio涵盖了对材料几乎所有的操作手段,能够非常直观清晰地帮助学习者了解材料结构特性并对材料结构进行相应的调整[2]。
三、利用Nanodcal程序计算材料性质
对块体材料,Nanodcal程序可以计算其系统总能量、电子能带结构、电子全能带和复能带、声子能带和态密度、载流子有效质量、弹性模量以及Seebeck系数等性质;对器件材料,可以对器件本征散射态计算从而得到实空间散射波函数,此外还可以计算电子透射谱、散射态、不同偏置电压下的电流、光电流等性质。例如,要计算某一器件的电子透射谱,我们可以在Device Studio软件的Simulator→Nanodcal→SCF Calculation页面中进行参数设置,在基础设置中,可以选择不同的截断能以及x、y、z三个方向的k点;在高级设置中,可以选择收敛标准,每种元素的势以及初始自旋极化方式和极化率。设置好参数后,软件会自动生成计算所需的文件scf.input,将该文件上传至服务器进行计算,即可得到器件的电子透射谱[3]。
结语
Nanodcal程序以及配套的Device Studio软件在操作上友好简单,可以很好地帮助学习者了解材料的结构和性质,可以使抽象乏味的教学变得生动简单,可以为学习者建立清晰的物理图像,优化了课堂教学模式,引起学习者兴趣。
参考文献
[1]于永宁.材料科学基础[M].北京:高等教育出版社,2005.
[2]坚增运,刘翠霞,吕志刚.计算材料学[M].化学工业出版社,2012.
[3]邹小龙.低维体系的计算材料学[M].科学出版社,2019.