发展基于Exact Muffin-Tin轨道的第一性原理量子输运方法

First-principles simulation on the level of device/system materials is of great importance for understanding the effects of materials, interfaces, and defects on the properties of nano-scale devices. However, so far only few softwares can be used to such kind of device simulations. Meanwhile, the Exact Muffin-Tin Orbital (EMTO) method features high accuracy and high efficiency, presenting great potential for the first-principles simulation of materials and devices. This project aims to develop an EMTO based first-principles quantum transport method and associated software package which will provide a widely applicable, highly accurate and efficient platform for nano-electronics/system materials simulation. We will combine density functional theory with non-equilibrium Green's function method within the framework of EMTO method, and use generalized non-equilibrium vertex correction in coherent medium theory to calculate the transport properties of realistic nano-electronics with impurities or defects. The new method will provide an effective ab initio approach for studying the relation between the performance of the devices and their structures, materials, as well as the interfaces and defects in them.

器件和系统层次上的第一性原理模拟对于理解材料、界面及各种缺陷对纳米尺度电子器件性能的影响是非常重要的，然而目前能够在这一层次上对器件进行模拟的方法和软件还比较少。同时，相比其他计算方法，Exact Muffin-Tin Orbital (EMTO)方法具有计算精度高、效率高的特点，在材料和器件模拟中具有广泛的应用潜力。本项目旨在实现基于EMTO的第一性原理量子输运计算方法和软件，为纳米电子器件和系统材料模拟提供一个应用范围广、计算精度和效率高的电子输运计算分析平台。本项目将在EMTO的框架下，结合密度泛函理论和非平衡态格林函数方法，以及利用相干势近似和顶角修正来实现非平衡态条件下含有无序缺陷的纳米电子器件输运性质的计算，从而为揭示真实器件性能与结构、材料、界面及缺陷等物理因素之间的关系提供一个有效的从头计算方法。

原子级器件工艺和性能仿真技术是进入后摩尔时代的半导体TCAD核心技术。原子级仿真覆盖全量子效应和原子离散性影响，不受制于具体器件结构和材料体系，具有广泛应用性，对于新材料、新器件、新工艺的预研极为关键。 本项目采用高度局域化且最小完备基组技术，即Exact Muffin-Tin Orbital（EMTO）方法，来实现器件材料的高精度高效率第一性原理计算，当前已经完成的核心发展工作包括：（I）基于标量相对论EMTO的全电子第一性原理器件材料仿真（适合轻元素）；(II)基于全相对论EMTO的全电子第一性原理器件材料仿真（适合重元素）；(III)发展基于EMTO的第一性原理非平衡态动力学团簇平均场方法（实现无序器件有效模拟）；(IV)发展辅助平均场理论处理非对角无序难题 (更加准确的合金平均场仿真技术)。基于这些理论工作，我们自主研发了第一性原理器件材料仿真软件SIGMAX，功能涵盖体相材料电子结构自洽计算，器件的平衡态和非平衡态电子结构自洽计算，电子和自旋输运特性的计算。相对于其他第一性原理计算软件，SIGMAX在计算效率和应用场景方面都具有重要特点，包括：（I）采用高度局域化且最小完备基组技术，导致了高度稀疏且小的Hamiltonian矩阵，因此具有很高的计算效率。（II）SIGMAX是全电子方法，具有更广泛的应用性，比如极端环境下的材料模拟。（III） SIGMAX有效结合平均场理论来实现对无序缺陷的高效仿真，而无序器件却是Supercell方法的计算难点。本项目的成功执行，为 进一步开发以EMTO为基础功能完善的原子级TCAD打下了坚实基础。