原子描像に基づく非コヒーレント輸送の第一原理輸送計算法の開発とナノ構造への応用

基于原子图的非相干输运第一性原理输运计算方法的发展及其在纳米结构中的应用

基本信息

批准号：
11J01588
负责人：
髙木博和 (2013)
金额：
$ 1.22万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2013
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は本研究で開発した第一原理電子輸送計算プログラムを使用し、一次元系である共役系有機分子ワイヤーと3次元系であるA1/Si/Alの金属・半導体・金属界面接合系に対して電子輸送特性の解析を行った。特に分子ワイヤーの計算については有機材料の特徴である構造の柔軟性を考慮し、分子構造の変化を取り入れた系の解析を行い、その電気伝導度、電流一電圧特性を明らかにした。また、金属・半導体・金属接合系についでは、半導体材料の暑さに対する電子輸送特性の依存性の解析に加え、プログラムの更なる高効率化を実現した。1次元系と異なり、接合界面系においては界面方向の周期性により計算は高負荷なものとなる。そこで並列計算に加えて疎行列演算をプログラムに組み込むことで、計算に使用するコア数の増加に伴い平均性能向上比97%の良好なスケーラビリティーを実現した。これは例えば1024コアを使用した際、1コアでの計算に対して988倍もの効率化が見込めることを意味する。疎行列演算には本研究で用いた原子局在基底関数が有限のカットオフ半径を持ち、計算対象のKohn-Sbamハミルトニアンの非零の行列要素が系の構造のみから決定されることを利用し、Fortran2003の機能により非零行列要素のみを厳密に格納するフォーマット新規に開発することで対処した。特に計算に使用する配列が疎行列形式となったことにより、並列計算時に不可欠なプロセス間の通信不可を最小限に抑えられ、これが本研究で達成した高い性能向上比につながった。また以上の結果は日本物理学会において発表済みであるとともに、現在学術誌へ投稿、査読中である

今年，我们使用了本研究中开发的第一原理电子传输计算程序来分析一维共轭有机分子电线的电子传输特性和三维A1/SI/AL金属界面交界系统。特别是，当计算分子电线时，我们考虑了结构的柔韧性，这是有机材料的特征，并分析了一种结合分子结构变化的系统，并揭示了其电导率和电流电压特性。除了分析电子传输性能对半导体材料的热量的依赖性（在金属，半导体和金属键合系统方面）外，该程序的效率进一步提高了。与一维系统不同，在接线接口系统中，由于接口方向的周期性，计算会承受高负载。因此，除了平行计算外，还将稀疏的矩阵计算纳入了程序，并且随着计算中使用的核心数量的增加，良好的可伸缩性良好，平均性能提高比为97％。这意味着，例如，当使用1024个核心时，预计它的效率将比一个核心上的计算高988倍。通过利用这样一个事实来解决稀疏的矩阵计算，即本研究中使用的原子局部基础功能具有有限的截止半径，并且要计算的Kohn-Sbam Hamiltonian的非零矩阵元素仅由系统的结构确定，并且仅通过不使用特定的零件来制定零件的element element，仅根据系统的结构来确定一个元素，该格式仅适用于Matriix element，该格式是由Matrix element fornictirix element进行的，该元素是由Matrix element factrix element factrix element fornctrix element nocifs的，用于计算的阵列的格式最大程度地减少了过程之间的通信，这对于并行计算至关重要，这导致本研究中实现的高性能改善比率。上述结果已在日本物理学会上发布，目前正在学术期刊上提交并进行同行评审。