自旋轨道耦合计算探索过程分析

自旋轨道耦合计算过程探索

1.经验总结

1）对于Bi2Se3家族材料，QL内是强的共价结合作用，QL之间是范德瓦尔斯作用力。所以，在优化结构的时候，需要考虑范德瓦尔斯相互作用。

一般，对于一种没有算过的新材料，可以尝试以上五种方法，哪一种最合理就用哪个。Bi2Se3家族材料，经测试最合适的是optPBE-vdW 方法。

3）测试发现，对于1QL和块体，范德瓦尔斯作用的影响不是很影响；对于多个QL厚度的薄膜, QL之间范德瓦尔斯作用的影响比较明显。

4）文献上，很多人直接不优化结构，用实验上的参数，这样算，得到的结果也比较合理。

5）算soc 力廿入LSORBIT=.TRUE.和口LORBMOM=.TRUE.，

比LSORBIT=.TRUE.和GGA_COMPAT = .FALSE.得到的结果更合理。

6）薄膜优化的时候，可以用ISIF=2。

7）计算静态的时候输岀CHARG，能带的时候ISTART可以等于0, ICHARG 等于11。

7）薄膜的结构需要中心对称，切得时候需要注意。

8）计算vdW，需要vasp5.2.12以上的版本，并且将vdw_kernel.bindat文件放到计算的文件夹中。

9）vdW相互作用对结构的影响比较大，对后面的静态计算和能带计算电子态的影响比较小。

10）取合适的K点，可以得到较为合理的结构，对后面电子态的计算影响也不是很大。

2.结构优化

赝势：PAW_GGA_PBE E cut=340 eV Kpoints=10 W X10

ISMER取-5，计算能带时，取0,对应SIGMA=0.05

在MS 中可以在build-Symmetry -中把Bi 2Se s rhombohedral representation （菱形表示）和hexagonal representation （六角表示）相互转换

图中黑色t i、t2、t3基矢围成菱形原胞，用于计算块体，红色方框包含一个五元层计算能带的布里渊区高对称点：

块体：文献中倒空间高对称点坐标r (0 0 O》Z(n n-nn n硼(0 0 0》L( n 0 0)

根据正空间和倒空间坐标的转换关系，得到正空间中高对称点的坐标：

r (0 0 0-Z(0.5 0.5 0.5)-F(0.5 0.5 0)- r (0 0 0)L(0 0 -0.5)

KPOINTS

20

Lin e-mode

Rec

0.0 0.0 0.0 ! r

0.5 0.5 0.5 ! Z

0.5 0.5 0.5 ! Z

0.5 0.5 0.0 ! F

0.5 0.5 0.0 ! F

0.0 0.0 0.0 ! r

! r

0.0 0.0 0.0

0.0 0.0 - -0.5 ! L

[通过比较结构, 发现Ecut=580 , KPOINTS=151515，得到的结构比较靠谱]

3. 块体soc的计算

文献能带结构图：

块体(Bi 2Se3-VASP-GGA-PAW-PBE )

0.66666667

0.33333333

0.0

!K

0.0 0.0 0.0 ! r

0.0 0.0 0.0 ! r

0.5 0.0 0.0 !M

考虑薄膜的对称性

由MS六角结构，沿（001 ）方向切割，可以得到两种以Se原子作为表面原子的薄膜，

如下图，分别为1QL和3QL的两种切法，右图比左图对称性要更好一些，这一区别在计算过程中会导致巨大的区别，我们通过比较，发现，只有右图的结果，才可以得到合理的结果,

尤其是在多个QL的情况。

>

出

2 10

a

我们的结果（未考虑vdW+静态和能带都加soc计算结果与文献基本符合）

4.薄膜的计算

薄膜：Kpoints=1O X10X1

计算能带的K点和石墨烯（六角晶胞的）的K点一样：

KPOINTS

20

Lon e-mode

Rec

用左边结构得到的结果（Bi 2Se3）:

-0.5

\ /

^3

0.0 0.5

用右边结构得到的结果（Bi2Se3）:

1QL —根据块体的数据得到薄膜，分以下两种情况计算：

1.不优化结构，scf不加soc, bands加soc

2.用块体的参数，加vdW 优化结构，scf不加soc，ba nds加soc

1QL —在静态中也加入soc

1.不优化结构，scf 禾口bands 力廿入L ORBMOM=.TRUE. ，LSORBIT=.TRUE.

2.不优化结构，scf 和bands 加入LORBMOM=.TRUE. ，GGA_COMPA T=.FALSE.

3.优化结构，scf 和口bands 力廿入L ORBMOM=.TRUE. ，LSORBIT=.TRUE.

4.优化结构，scf 和ba nds 加入LORBMOM=.TRUE. ，GGA_COMPA T=.FALSE.

文献结果:

上图是没有进行离子弛豫的1QL ~6QL 的Bi2Se3薄膜能带结构

5.

调试过程错误总结

错误 1: VERY BAD NEWS! Internal error in subroutine IBZKPT: Reciprocal lattice and k-lattice

belong todifferent class of lattices. Often results are still useful... 48 In ter nal 内部 subrout ine 子程序 Reciprocal 倒数的

非常严重的错误！ 子程序IBZKPT 中内部错误：倒格子和k 点网格属于不同类型的格子。 通常结

果还是有用的。

解决方案： 根据所用集群，修改

INCAR 中NPAR 。将NPAR=4变成NPAR=1，已解决！

上图采用optPBE-vdW 泛函进行离子弛豫

r r r

1QL~6QL 的Bi2Se3薄膜能带结构

上图是实验观测的

1QL ~6QL （ 12356）的 Bi2Se3薄膜能带结构.

MU

氢吉

点

,0.5