迄今為止，Nanodcal 已成功應用于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，并將逐步推廣到更廣闊的電子輸運性質研究的領域。

本期將給大家介紹Nanodcal自旋器件1.1的內容。

1. 自旋器件

1.1. 自旋極化原子鏈的透射譜

碳不具有天然磁性，但當鏈中的原子間距足夠大且不過大時，電子基態實際上是自旋極化的。該系統當然是高度人為的，而且這種選擇也只是出于說明方法的目的。本教程的模型結構如下：

1.1.1. Device Studio建立一維碳鏈模型

（1）雙擊圖標DeviceStudio快捷方式”打開軟件；

（2）選擇Create a new Project→OK→文件名：C atomic chain，保存類型：ProjectFiles(*.hpf)→保存即可；

（3）點擊Build→Crystal，構建晶格并添加C原子，其中a=b=12 ?.c=2.9 ?，α=β=γ=90°，C原子位于晶格中心，點擊Preview→Build，如圖：

構建單個C原子晶胞圖形界面

Tip: 沿A和B方向采用周期性邊界條件，因此我們使用較大的a = 12?晶胞矢量來最大程度地減少沿著A和B的鏈重復圖像之間的靜電相互作用。

（4）點擊Build→Redefine Crystal，在c方向上擴胞18倍，Preview→Build；

擴胞的圖形界面

（5）點擊按鈕Convert to Device，設置左右電極的長度為-7和7，點擊Preview→Build，得到1D碳原子鏈器件模型，如圖：

晶體轉換為器件的圖形界面

（6）點擊Simulator→Nanodcal→SCF Calculation→Generatefile，設置參數并生成自洽計算所需的輸入文件。

1.1.2. 計算自旋平行透射譜

現在，利用Nanodcal對自旋平行態下的器件進行NEGF-DFT計算，并為該自旋構型計算電子透射譜。本節將以碳-碳-碳（C-C-C）體系為例， 講 Two-probe 體系電子自洽計算，分為以下三個步驟：（1）電極的自洽計算；（2）中心區的自洽計；（3）電子透射譜的計算。

Notes: 碳-碳-碳體系采用完全相同的左、右電極，故只需對其中一個電極進行自洽計算。

1.1.2.1. 電極自洽計算

（1） 準備輸入文件 結構文件、參數文件：scf.input；基組文件：C_LDA_DZP?.nad

%%What quantities should be calculatedcalculation.name = scf%Basic settingcalculation.occupationFunction.temperature = 100calculation.realspacegrids.E_cutoff = 80 Hartreecalculation.xcFunctional.Type = LDA_PZ81calculation.k_spacegrids.number = [ 1 1 100 ]'system.centralCellVectors = [[12 0 0]' [0 12 0]' [0 0 7]']system.spinType = CollinearSpin%Iteration controlcalculation.SCF.monitoredVariableName={'rhoMatrix','hMatrix','totalEnergy','bandEnergy','gridCharge','orbitalCharge','spinPolar'}calculation.SCF.convergenceCriteria = {1e-04,1e-04,[],[],[],[],[]}calculation.SCF.maximumSteps = 200calculation.SCF.mixMethod = Pulaycalculation.SCF.mixRate = 0.1calculation.SCF.mixingMode = Hcalculation.SCF.startingMode = H%calculation.SCF.donatorObject = NanodcalObject.mat%Basic setsystem.neutralAtomDataDirectory = '../'system.atomBlock = 3AtomType OrbitalType X Y Z SpinPolarizationC       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      7.25000000      0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      4.35000000      0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      1.45000000      0.5end

（2）自洽計算 在Device Studio的Project窗口中，右擊scf.input，Run→Run即開始自洽計算

1.1.2.2. 中心區自洽計算

（1）準備輸入文件：結構文件、參數文件scf.input；基組文件C_LDA_DZP?.nad

%%What quantities should be calculatedcalculation.name = scf%Basic settingcalculation.occupationFunction.temperature = 100calculation.realspacegrids.E_cutoff = 80 Hartreecalculation.xcFunctional.Type = LDA_PZ81calculation.k_spacegrids.number = [ 1 1 1 ]'%Description of electrodesystem.numberOfLeads = 2system.typeOfLead1 = leftsystem.voltageOfLead1 = 0system.objectOfLead1 = ../LeftElectrode/NanodcalObject.matsystem.spinDirectionOfLead1 = [0 0 1]system.typeOfLead2 = rightsystem.voltageOfLead2 = 0system.spinDirectionOfLead2 = [0 0 1]system.objectOfLead2 = ../RightElectrode/NanodcalObject.mat%Contour integral%calculation.complexEcontour.lowestEnergyPoint = 1.5 Hartreecalculation.complexEcontour.numberOfPoints = 40calculation.realEcontour.interval = 0.0272114calculation.realEcontour.eta = 0.0272114system.centralCellVectors = [[12 0 0]' [0 12 0]' [0 0 34.8]']system.spinType = CollinearSpin%Iteration controlcalculation.SCF.monitoredVariableName={'rhoMatrix','hMatrix','totalEnergy','bandEnergy','gridCharge','orbitalCharge','spinPolar'}calculation.SCF.convergenceCriteria = {1e-04,1e-04,[],[],[],[],[]}calculation.SCF.maximumSteps = 200calculation.SCF.mixMethod = Pulaycalculation.SCF.mixRate = 0.05calculation.SCF.mixingMode = Hcalculation.SCF.startingMode = H%calculation.SCF.donatorObject = NanodcalObject.mat%Basic setsystem.neutralAtomDataDirectory = '../'system.atomBlock = 12AtomType OrbitalType X Y Z SpinPolarizationC       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      33.35000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      24.65000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      15.95000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      7.25000000      0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      30.45000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      21.75000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      13.05000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      4.35000000      0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      27.55000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      185000000       0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      10.15000000     0.5C       LDA-DZP 6.00000000      6.00000000      1.45000000      0.5end

（2）自洽計算

在Device Studio的Project窗口中，右擊scf.input，Run→Run即開始自洽計算會產生以下輸出文件：log.txt、NanodcalObject.mat、TotalEnergy.mat、Temporarydata

自洽收斂后，我們就可以計算體系的各種物理性質。

小貼士：做電極自洽時，周期方向K點取多（10左右），輸運方向K點取較多，真空方向K點取1；做中心區自洽時，周期方向K點取多（10左右），輸運和真空方向K點取1；做Transmission計算時，周期方向K點取很多（100以上），輸運和真空方向K點取1。

備注一：關于電極自洽輸運方向取多

(1)當電極是一維體系時，此處K點建議取到100；

(2)當電極是二維和三維材料時，此處K點可取10左右。

初學者可以根據 Nanodcal 自動默認的k-spacegrids.number值來進行設置。做法是先將自洽計算輸入文件中calculation.k_spacegrids.number一行注釋掉， 再進行自洽計算。計算結束后，讀取 Nanodcal 自動給出的 k-space grid numbers 即可。

1.1.2.3. 電子透射譜計算

• （1）在中心區自洽計算的基礎上，準備輸入文件Transmission.input操作如下：

• 點擊Simulator→Nanodcal→Analysis→Transmission→->→Generatefiles

system.object = NanodcalObject.mat
calculation.name = transmission
calculation.transmission.kSpaceGridNumber = [ 1 1 1 ]'
calculation.transmission.energyPoints = -66     表示能量點的選取范圍是：-2到2 eV，間隔為 0.01 eV。
calculation.transmission.plot = true
calculation.control.xml = true

（2）在Device Studio的Project窗口中，右擊Transmission.input,Run→Run即開始透射譜計算；

計算結束后，會產生以下輸出文件：Transmission.mat、Transmission.xml、Transmission.fig、CalculatedResults.mat和log.txt。

（3）輸出文件Transmission.xml在Device Studio中可視化分析，如圖：

自旋平行態下的透射譜

上圖繪制了自旋向上（藍色）和自旋向下（紅色）的透射譜，并且它們之間存在顯著差異：在費米能級處，自旋向下的透射率為零，自旋向上的透射率是3。

1.1.3. 計算自旋反平行透射譜

現在，進行自旋反平行態下的計算，并將透射譜與自旋平行情況進行比較。已計算的自旋平行態將用作反平行態計算的初始猜想。

（1）自旋反平行態下的電極自洽計算與自旋平行態下的所有輸入文件一致；

（2）中心區自洽輸入文件scf.input與平行態下的區別在于以下參數，其他參數一致

%Description of electrodesystem.numberOfLeads = 2system.typeOfLead1 = leftsystem.voltageOfLead1 = 0system.objectOfLead1 = ../LeftElectrode/NanodcalObject.matsystem.spinDirectionOfLead1 = [0 0 1]      %電極1的自旋方向system.typeOfLead2 = rightsystem.voltageOfLead2 = 0system.spinDirectionOfLead2 = [0 0 -1]      %電極2的自旋方向system.objectOfLead2 = ../RightElectrode/NanodcalObject.mat

（3）在中心區自洽計算的基礎上，進行透射譜計算，方法與1.2.3小節相同。計算結束后，輸出文件Transmission.xml在Device Studio中可視化分析，如圖：

自旋反平行態下的透射譜

在這種情況下，正如器件的對稱性可預期的那樣，兩個自旋分量具有相同的透射譜。

（4）最后，處理數據得到自旋平行和反平行態下總的透射譜，如圖：

自旋平行和反平行態下總的透射譜

由圖可知，在費米能級附近，自旋平行態（藍色）的透射明顯大于反平行態（紅色）的透射。