ecaljでB-dopedダイヤモンド

ecaljと仮想結晶近似(VCA)を用いて、ダイヤモンドの炭素原子を5%ホウ素に置換したホウ素ドープダイヤモンドの電子構造を計算しました。結果は、AkaiKKRでB(N)-dopedダイヤモンドAkaiKKRでリジッドバンド模型もどきの結果と調和的で、純粋なダイヤモンドは絶縁体、ホウ素をドープしたダイヤモンドは金属的なバンド構造となりました。

bandplot-bdia-vca.png
Fig.1: ダイヤモンドとホウ素をドープしたダイヤモンドのバンド構造



仮想結晶近似(VCA)


不規則合金の電子構造の計算を行うためには、色々な近似が考えられます。
AkaiKKRでB(N)-dopedダイヤモンドでは、AkaiKKR(Machikaneyama)に実装されているコヒーレントポテンシャル近似(CPA)を用いました。AkaiKKRでリジッドバンド模型もどきでは、AkaiKKRを少しトリッキーに使い、リジッドバンド模型のような計算を行いました。他にもスーパーセルを使う方法も考えられます(参考: AkaiKKRでスーパーセル その1)。

今回は、更に別の方法として仮想結晶近似(VCA)を用いてホウ素をドープしたダイヤモンドの電子構造をecaljを用いて計算しました。

なお、これらの近似のエライ(つまり、近似として上等である)順番は、コヒーレントポテンシャル近似、仮想結晶近似、リジッドバンド模型です。スーパーセル法とコヒーレントポテンシャル近似は、どちらも一長一短なので、必ずしもどちらがエライというわけでもないはずです。

計算手法


計算手法は、基本的にはecaljで仮想結晶近似と同様です。通常通り、ダイヤモンドの結晶構造ファイルを作成します(参考: ecaljの実行手順(LDA計算), ecaljでシリコンのバンド構造(LDA計算))。
STRUC   ALAT=6.74
PLAT=0.0 1/2 1/2
1/2 0.0 1/2
1/2 1/2 0.0
SITE ATOM=C POS=0.0 0.0 0.0
ATOM=C POS=1/4 1/4 1/4

この結晶構造ファイルから ctrlgenM1.py を用いて制御ファイルを自動生成させます。

更にこの制御ファイルをテキストエディタで編集します。今回は、炭素(原子番号:6)の5%をホウ素(原子番号:5)に置換するので 6*0.95 + 5*0.05 = 5.95 とします。
SPEC
ATOM=C Z=5.95 R=1.42


計算結果


計算結果のバンド構造をFig.1に、状態密度をFig.2に示します。

tdos-bdia-vca.png
Fig.2: ダイヤモンドと炭素の5%をホウ素に置換したダイヤモンドの状態密度


純粋なダイヤモンドは半導体ですが、ホウ素をドープしたダイヤモンドはフェルミ準位が荷電しバンドの中にあるような、金属的なバンド構造になりました。仮想結晶近似(VCA)は、コヒーレントポテンシャル近似(CPA)とリジッドバンド模型の中間のエラさに位置するので、当然ながらこれら二つと似たような結果になります。

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tag: ecalj 仮想結晶近似 VCA 半導体 ダイヤモンド 

ecaljで仮想結晶近似

ecaljの仮想結晶近似(VCA)の機能を用いてbcc Fe1-xCoxの状態密度を計算しました。
その結果、AkaiKKRでFeCoの磁気モーメントと格子定数で計算したコヒーレントポテンシャル近似(CPA)の結果と似たような挙動が確認できました。

FeCo.gif

Fig.1: 仮想結晶近似(VCA)によるbcc Fe1-xCoxの状態密度



合金の電子状態


固体物理の多くの第一原理計算パッケージでは、結晶の周期性を利用しているため不規則構造の計算が苦手です。AkaiKKR(machikaneyama)は、コヒーレントポテンシャル近似(CPA)を用いて不規則性を扱います。合金を扱うほかの方法としては、スーパーセル法(参考: AkaiKKRでスーパーセル その1)などがあります。これ以外にもCPAよりももう一歩手前の近似法として仮想結晶近似(VCA: Virtual Crystal Approximation)というものが存在します。

ecaljのマニュアルを読むと、どうやらVCAが使えるようなので、今回は体心立方構造(bcc)のFe1-xCoxの状態密度を計算してみました。

計算手順


ecaljのマニュアルのP15にはYou can use Z=37.5 for virtual crystal approximation, however, you can not do it in ctrls now. Edit it in ctrl file.のように書いてあります。そこで通常通りbcc鉄の結晶構造ファイルを作り ctrlgenM1.py--nspin=2 のオプションを与えて制御ファイルを作成します(参考: ecaljで強磁性鉄のスピン分極計算)。

この後、作成した制御ファイルの原子番号Zを編集します。例えばFe0.8Co0.2なら、原子番号が26の鉄と27のコバルトの合金なので 26*0.8 + 27*0.2 = 26.2ということだと思います。(しかしこれだとFe0.9Ni0.1でも同じ結果になってしまう?私が何か勘違いしている?)

結果


以下に計算結果の純鉄とFe0.8Co0.2の状態密度を示します。

FeCo0.png
FeCo20.png

Fig.2-3: bcc Feとbcc Fe0.8Co0.2の状態密度


コバルト濃度を増していくと、アップスピンの状態密度が低エネルギー側へ移動していくような挙動が見られました。これはAkaiKKRでFeCoの磁気モーメントと格子定数で計算した結果と似たような挙動であることが分かります。

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