Nanodcal是一款基于非平衡態格林函數-密度泛函理論（NEGF - DFT）的第一性原理計算軟件，主要用于模擬器件材料中的非線性、非平衡的量子輸運過程，是目前國內擁有自主知識產權的基于第一性原理的輸運軟件。可預測材料的電流 - 電壓特性、電子透射幾率等眾多輸運性質。

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半導體器件2.5-2.5.2的內容。

2.5. Bi2Se3拓撲絕緣體

拓撲絕緣體是具有如正常絕緣體一樣的塊體能隙，但是在表面具有導電態的電子材料。這些態受材料的非平庸拓撲指數的拓撲保護，并且不會被任何擾動所移除。這些表面態的二維能量動量關系具有一個類似于石墨烯的“狄拉克錐”結構。拓撲絕緣體由此構成由奇異物理現象支配的新一類量子物質，并可能在將來運用于電子器件中。

2.5.1. GGA計算

2.5.1.1. Device Studio構建幾何結構

（1）打開Device Studio，新建目錄Bi2Se3_bulk。

（2）從數據庫中導入數據并命名為Bi2Se3_bulk_GGA，坐標文件如下：

（3）建立nanodcal自洽計算所需的輸入文件，（用擴胞后的文件）如下：

Simulator→Nanodcal→SCF Calculation→Generate file。設置參數K點改成9 9 3，然后點擊Generate file。其他參數默認。產生自洽計算的輸入文件scf.input及基組文件Bi_LDA-DZP.nad、Se_LDA-DZP.nad，右擊打開open with，可查看如下。

（4）建立nanodcal計算能帶的輸入文件（原胞），如下：

Simulator→Nanodcal→Analysis→BandStructure→->→Generate file。參數默認，產生能帶計算的輸入文件BandStrure.input，同樣，右擊打開open with，可查看，如下：

2.5.1.2. 自洽計算和能帶計算

連接Nanodcal服務器：在Job Manager所示界面中點擊設置按鈕，彈出MachineOptions界面，在該界面選擇中點擊New按鈕，彈出MachineSet界面，在該界面中填寫Computer Name、HostIp、port、Username、Password等一系列信息，點擊OK按鈕則在MachineOptions界面中添加了裝有Nanodcal的服務器。

圖 2-25：連接服務器操作界面

自洽計算：在選擇nanodcal服務器后，選中scf.input右擊run后會出現以下界面如圖所示：

圖 2-26：Run界面

根據計算需要設置參數后點擊save按鈕保存相應的pbs腳本，然后點擊run進行計算。等待計算完畢后點擊Job Manager所示界面中的Action下的下載按鈕下載NanodcalObject.mat文件

3，能帶計算：與第2步一樣選中選中BandStructure.input右擊run。等待計算完畢后點擊Job Manager所示界面中的Action下的下載按鈕下載BandStructure.mat、PhononBandStructure.fig、BandStructure.xml文件。

2.5.1.3. 可視化分析

在Device Studio的Project Explorer區域選中能帶計算結果文件BandStructure.xml→右擊→Show View，如下圖：

圖 2-27：塊體Bi2Se3的GGA能帶結構圖

2.5.2. SOCGGA計算

2.5.2.1. Device Studio構建幾何結構

（1）打開Device Studio，在Bi2Se3_bulk的目錄下復制結構文件Bi2Se3_bulk_GGA并命名為Bi2Se3_bulk_SOCGGA。

（2）建立nanodcal自洽計算所需的輸入文件，（用擴胞后的文件）如下：

Simulator→Nanodcal→SCF Calculation→Generate file。設置參數K點改成9 9 3，自旋方式改成GeneralSpin， 勾選spin-orbital interaction，Rho[0 1]下面修改為0.01，然后點擊Generate file。其他參數默認。產生自洽計算的輸入文件scf.input及基組文件Bi_LDA-DZP.nad、Se_LDA-DZP.nad，右擊打開open with，可查看，如下。

（3）建立nanodcal計算能帶的輸入文件，如下：

Simulator→Nanodcal→Analysis→BandSructure→->→Generate file。參數默認，產生能帶計算的輸入文件BandSructure.input，同樣，右擊打開open with，可查看，如下：

2.5.2.2. 自洽計算和能帶計算

自洽計算：連接服務器（請參見Device Studio的工具欄中help→help Topic→7.應用實例→7.1Nanodcal實例）在選擇服務器后，選中scf.input右擊run。等待計算完畢后點擊JobManager所示界面中的Action下的下載按鈕下載NanodcalObject.mat文件。

能帶計算：與第1步自洽計算一樣選中BandStructure.input右擊run。等待計算完畢后點擊Job Manager所示界面中的Action下的下載按鈕下載BandStructure.mat、PhononBandStructure.fig、BandStructure.xml文件。

2.5.2.3. 可視化分析

在Device Studio的Project Explorer區域選中能帶計算結果文件BandStructure.xml→右擊→Show View，如下圖：

圖 2-30：塊體Bi2Se3的GGA+SOC能帶結構圖

在計算中考慮自旋軌道耦合（SOCGGA）對能帶結構有一個顯著的影響，并使在G點的直接帶隙變大。然而，我們并沒有見到任何能帶穿過費米能級（最小的SOGGA能隙為0.3eV）,所以Bi2Se3塊體材料是絕緣體。