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OghmaNano 有機/ペロブスカイト太陽電池、OFET、OLEDをシミュレーション ダウンロード Quick Start guide

材料パラメータと、それらがソルバー内でどのように使用されるか

学習目標:このページを読み終えた後、以下のことができるようになっている必要があります。

前提条件:利用する予定のモデルページ群。本ページはそれらと併せて参照するための参考資料です。

推定所要時間:25分。

Every quantum-well solver is only as good as the material parameters it is given. This page explains what each parameter means physically, which Hamiltonian term it controls, its units and the common sign or convention traps — rather than listing numerical values, which belong in the material database and in the compilations cited on the references page. Parameters are grouped by the solver that uses them.

1. エネルギーおよびエネルギーの基準値

The most common source of error is the energy reference. OghmaNano measures energies from the structure valence-band maximum (placed at zero), and each material's valence edge \(E_v\) is supplied on a common absolute scale so that band offsets are correct. The multiband solvers derive the conduction edge as \(E_c = E_v + E_g\) and, internally, an average valence energy that the spin-orbit and crystal-field terms then split back to the physical band edge.

Table 1. Band energies and references.
パラメータ意味制御機能単位
\(E_g\)基本的なバンドギャップ伝導帯と価電子帯の分離;\(E_c=E_v+E_g\)電子ボルト
\(E_v\)共通スケール上における価電子帯のエッジ対角方向の価電子帯エネルギー。これによりバンドオフセットが決定される。電子ボルト
\(E_c\)伝導帯端(導出値)伝導帯対角線電子ボルト
\(E_{v,\text{av}}\)スピン軌道・結晶場平均化後の価電子帯エネルギーSO/CF分裂前の内部対角要素電子ボルト
\(\Delta_{\text{so}}\)スピン軌道相互作用によるバンド分裂スピン軌道結合による分裂後の価電子帯頂点の位置電子ボルト

2. 有効質量

The band-edge electron mass fixes the conduction curvature and, in the multiband models, is used to back out the remote-band parameter. Hole masses appear directly only in the parabolic solver; in the k·p models the valence masses are encoded in the Luttinger (or wurtzite \(A_i\)) parameters instead. Silicon's valleys are anisotropic and need two masses each.

Table 2. Effective masses (in units of the free-electron mass \(m_0\)).
パラメータ意味制御機能単位
\(m_e\)バンド端における電子の有効質量伝導帯の曲率;遠隔パラメータ \(A_c\)\(m_0\)
\(m_h\)正孔の質量(放物線型ソルバー)スカラーモデルにおける価電子帯の曲率\(m_0\)
\(m_l\)縦方向バレー質量(シリコン)バレー軸方向の有効質量\(m_0\)
\(m_t\)横方向バレー質量(シリコン)谷軸方向における質量\(m_0\)

3. 亜鉛ブレンデ構造における価電子帯パラメータおよび結合パラメータ

The Luttinger parameters describe the coupled heavy-, light- and split-off holes; the Kane energy sets the conduction–valence coupling. In the 8-band model OghmaNano combines these into the internal \(A_c, L, M, N, P\) parameters, renormalising \(L\) and \(N\) (and, in the standard mode, \(A_c\)) to avoid double-counting the explicit Kane coupling.

Table 3. Zincblende valence and Kane parameters.
パラメータ意味制御機能単位
\(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\)ルッティンガーパラメータ価電子帯における\(L, M, N\)運動項無次元
\(E_p\)ケインエネルギーケイン結合 \(P=\sqrt{(\hbar^2/2m_0)E_p}\)電子ボルト
\(P\)ケイン運動量行列要素伝導帯と価電子帯の結合電子ボルト・メートル(内部処理用)

実装上の注意点として、8バンドハミルトニアン内で使用されるルッティンガーパラメータは完全なバルク値である。コード側では\(L\)および\(N\)を生成する際に内部的に\(+E_p/E_g\)の減算処理を行う。したがって、材料データベース上でルッティンガーパラメータから結合項を事前に減算してはならない。そうすると価電子帯の有効質量が不正確な値となる。異なる規約(完全ルッティンガーパラメータと修正ルッティンガーパラメータ)を用いるコード間でパラメータを移植する際に生じる不整合の主な原因がこの点である。

4. 亜鉛鉱型構造における変形ポテンシャルと弾性剛性

Strain enters through the deformation potentials and requires the elastic constants and lattice constants to compute the strain tensor. The conduction and valence hydrostatic potentials combine into the gap deformation potential; the shear potentials \(b\) and \(d\) split the valence bands.

Table 4. Zincblende strain parameters.
パラメータ意味制御機能単位
\(a_c\)伝導帯における静水圧変形ポテンシャル\(a_c\,\mathrm{Tr}\varepsilon\) シフト電子ボルト
\(a_v\)価電子帯の静水圧変形ポテンシャルビア=ピクス \(P=a_v\mathrm{Tr}\varepsilon\)電子ボルト
\(b\)四方晶系せん断変形ポテンシャルビア=ピクス \(Q\);重い正孔/軽い正孔の分裂電子ボルト
\(d\)菱面体型せん断変形ポテンシャルビル=ピクス \(R, S\) せん断結合電子ボルト
\(a\)、\(a_{\text{sub}}\)層および基板の格子定数面内不整合ひずみメートル
\(C_{11}, C_{12}\)弾性剛性定数\(\varepsilon_{zz}=-2(C_{12}/C_{11})\varepsilon_{xx}\)パスカル

5. ウルツァイト構造のパラメータ

Wurtzite needs more parameters because of its lower symmetry: six valence parameters, three splitting energies, two Kane energies, two conduction-mass parameters and separate hydrostatic and shear deformation potentials.

Table 5. Wurtzite parameters.
パラメータ意味制御機能単位
\(A_1\dots A_6\)価電子帯の有効質量パラメータ価電子帯における\(L_i, M_i, N_i\)運動項無次元
\(\delta_1\)結晶場分裂\(X,Y\)の値が\(Z\)の値よりも高くなる電子ボルト
\(\delta_2, \delta_3\)スピン軌道結合パラメータ価電子帯のスピン軌道結合電子ボルト
\(E_{p1}, E_{p2}\)c軸および底面方向におけるケインエネルギー\(P_1\)(S–Z)、\(P_2\)(S–X,Y)電子ボルト
\(S_1, S_2\)c軸および底面方向の伝導質量パラメータ異方性伝導分散無次元
\(a_1, a_2\)c軸および底面方向における伝導帯の変形ポテンシャル伝導帯のひずみによるシフト電子ボルト
\(D_1\dots D_6\)価電子帯における変形ポテンシャル価電子帯におけるひずみ(\(D_6\) せん断ひずみのみ)電子ボルト
\(C_{ij}\)六方晶系の弾性定数c面ひずみテンソルパスカル

6. シリコンのΔバレー・パラメータ

Table 6. Silicon conduction-valley parameters.
パラメータ意味制御機能単位
\(\Xi_d\)膨張型変形ポテンシャル\(\Xi_d\,\mathrm{Tr}\varepsilon\):すべてのエネルギー極小点をシフトさせる電子ボルト
\(\Xi_u\)一軸性変形ポテンシャル\(\Xi_u\,\varepsilon_{\text{valley}}\):\(\Delta_2/\Delta_4\)を分割する電子ボルト
\(m_l, m_t\)縦方向質量/横方向質量異方性を持つバレー分散\(m_0\)

7. 希薄窒化物材料(10バンドモデル)のパラメータ

Table 7. Band-anticrossing parameters.
パラメータ意味制御機能単位
\(x_N\)窒素のモル分率結合強度 \(V_N=\beta_N\sqrt{x_N}\)無次元
\(E_N\)窒素の共鳴準位エネルギー窒素の対角成分 \(H_{NN}\)電子ボルト
\(\beta_N\)窒素結合定数伝導帯と窒素の結合電子ボルト

8. 光学パラメータおよび輸送パラメータ

The gain and scattering calculations need a few further inputs: the refractive index and Lorentzian broadening for gain, and the mass density, sound velocity and acoustic deformation potential for scattering. These are properties of the medium and the phonons rather than of the band structure.

Table 8. Optical and transport parameters.
パラメータ意味制御機能単位
\(n_r\)屈折率利得前係数無次元
\(\gamma\)ローレンツ半値幅線形の広がり電子ボルト
\(\rho\)質量密度音響散乱の前因子kg·m\(^{-3}\)
\(v_s\)音速音響散乱の前置因子メートル・秒\(^{-1}\)
\(D\)音響変形ポテンシャル散乱行列要素電子ボルト

主なポイント