Graphene nanoribbons

Pristine graphene nanoribbons

이번 장에서는 위와 같은 zigzag graphene nanoribbons (GNRs) 구조에 대해 계산한다.

Step 1. Electrode calculation

전극은 z축 방향으로 주기적 조건을 만족하는 GNRs의 2개의 unit cell로 구성되어 있다.

$ cd 1. Electrode_SZ
$ cd input 
$ vi RUN.fdf

RUN.fdf에서 다음과 같이 DM.MixingWeight, DM.NumberPulay를 수정하면 29번내로 SCF convergence한다.

RUN.fdf

...
MaxSCFIterations      500           # Default: 50
DM.MixingWeight       0.10          # Default: 0.25
DM.NumberPulay        3             # Default: 0
DM.PulayOnFile        F             # SystemLabel.P1, SystemLabel.P2
DM.Tolerance          1.d-4         # Default: 1.d-4
DM.UseSaveDM          T             # because of the bug
TS.HS.Save            T
...

slm_siesta_run을 이용해 electrode 계산을 한다.

$ cd ../
$ qsub slm_sbatch_transiesta

Step 2. Scatting region calculation

Electrode 계산을 끝내고, 위와 같이 채널 영역의 길이가 2-unit cell으로 설정한 scattering 계산하기 위해 2.6unit-GNR_SZ 폴더에 들어간다. 그 다음 1.Electrode 폴더에 생성된 elec.TSHS 파일을 2.6unit-GNR_SZ의 input폴더에 넣어준다.

scattering region은 2-unit cell로 구성되어 있으나, Transiesta 계산에서 사용하는 STRUCT.fdf 파일에서는 양쪽의 electrode 영역도 포함되어 있다.

 $ cd ../2.6unit-GNR_SZ
 $ cp ../1.Electrode_SZ/OUT/elec.TSHS input/

INPUT폴더에서 TS.fdf에서 left와 right의 electrode를 다음과 같이 HS elec.TSHS 로 적고 eletrode의 계산에 쓰인 atom수 16개를 used-atom 16로 수정한다.

 $ cd input
 $ vi TS.fdf

TS.fdf

 …
 %block TS.Elecs
  Left
  Right
 %endblock TS.Elecs

 %block TS.Elec.Left
  HS elec.TSHS
  chem-pot Left
  semi-inf-dir -a3
  elec-pos begin 1
  used-atoms 16
 %endblock TS.Elec.Left

 %block TS.Elec.Right
  HS elec.TSHS
  chem-pot Right
  semi-inf-dir +a3
  elec-pos end -1
  used-atoms 16
 %endblock TS.Elec.Right
 …

slm_siesta_run을 이용해 TranSIESTA 계산을 한다.

 $ cd ../
 $ qsub slm_sbatch_transiesta

계산에 끝나면 OUT 폴더에 .TSHS와 .TSDE가 생성된 것을 확인할 수 있을 것이다.

Step 3. Post-processing

Transiesta OUT에서 .TSHS파일을 복사해 INPUT폴더에 넣어준 후 slm_sbatch_tbtrans을 이용해 TBTrans 계산을 해준다

$ cp OUT/scat.TSHS input/
$ qsub slm_sbatch_tbtrans

Channel 영역의 길이: 2 vs 6 unit cell

채널 영역의 길이가 6-unit cell인 경우에 대해서도 TranSIESTA와 TBTrans 계산을 진행한다

$ cd ../3.10unit-GNR_SZ
$ cp ../1.Electrode_SZ/OUT/elec.TSHS input/
$ qsub slm_sbatch_transiesta
$ cp OUT/scat.TSHS input/
$ qsub slm_sbatch_tbtrans

이제 2-unit 6-unit channel GNRs의 transmission을 비교해보자.

$ python ../show_trans.py OUT_tbtrans/scat.TBT.TRANS_Left-Right ../2.6unit-GNR_SZ/OUT_tbtrans/scat.TBT.TRANS_Left-Right

그림에서 보면 channel의 unit 개수와 상관없이 trasmission은 동일한 것을 확인할 수 있다.

N-doped graphene nanoribbons

위와 같이 pristine GNRs에 모델에서 채널 영역에 N-dopant를 추가하여 도핑시킨 모델에 대해서 계산을 진행해보자.

2-unit channel

먼저 2-unit cell의 채널의 길이를 계산을 진행한다.

※ 예제 파일의 STRUCT.fdf에는 19번 atom이 H로 되어 있으므로 이를 C로 수정한다.
※ 구조에 대해 어디 위치에 N이 도핑되는지도 확인해라.

$ cd ../4.6unit-GNR+N_SZ
$ cp ../1.Electrode/OUT/elec.TSHS input/
$ qsub slm_sbatch_transiesta
...
$ cp OUT/scat.TSHS input/
$ qsub slm_sbatch_tbtrans

6-unit channel

6-unit cell의 채널의 길이를 계산을 진행한다.

$ cd ../5.10unit-GNR+N_SZ
$ cp ../1.Electrode_SZ/OUT/elec.TSHS input/
$ qsub slm_sbatch_transiesta
...
$ cp OUT/scat.TSHS input/
$ qsub slm_sbatch_tbtrans

10-unit channel

10-unit cell의 채널의 길이를 계산을 진행한다.

$ cd ../6.14unit-GNR+N_SZ
$ cp ../1.Electrode_SZ/OUT/elec.TSHS input/
$ qsub slm_sbatch_transiesta
...
$ cp OUT/scat.TSHS input/
$ qsub slm_sbatch_tbtrans

Channel 영역의 길이: 2 vs 6 vs 10 unit cell

GNRs + N-dopant 구조에 대해 채널의 길이가 2, 6, 10 unit cells인 경우의 transmission을 비교해보자.

python ../show_trans.py OUT_tbtrans/scat.TBT.TRANS_Left-Right ../5.10unit-GNR+N_SZ/OUT_tbtrans/scat.TBT.TRANS_Left-Right ../4.6unit-GNR+N_SZ/OUT_tbtrans/scat.TBT.TRANS_Left-Right