[发明专利]一种多尺度量子电磁耦合的含时计算方法

摘要

本发明公开了一种多尺度量子电磁耦合的含时计算方法。该方法将计算区域分成量子区域（QM）和经典电磁（EM）区域，并在两区域界面处进行参数传递，对两区域均采用隐式差分格式求解方程，实现量子与经典电磁多尺度耦合计算。当电磁波穿透量子力学区域时，整个系统可以用麦克斯韦方程统一地确定区域内的场分布，同时结合漂移扩散方程对系统的电荷输运进行描述。将电磁区域的瞬态势分布作为量子区域模拟的边界条件，同时将量子区域采用含时密度泛函紧束缚方法计算出的电流密度代入电磁区域的经典电磁方程组中。本方法搭建的多尺度耦合计算平台中QM与EM区域都采用了隐式时间差分，因此时间步相比已有工作得到放大，从而提高计算效率。

主权项

1.一种多尺度量子电磁耦合的含时计算方法，其特征在于，步骤如下：/n第一步，将微观尺度的半导体器件分为沟道区和衬底区，沟道区为量子区域，衬底区为电磁区域；量子部分通过原子建模的方式，获得原子坐标、键长和原子间相互作用信息，电磁部分采用传统电磁建模方式，利用正六面体网格进行剖分，获得关于模型结构的完整信息，包括每个结点编号和坐标以及点、棱和体之间的关系；/n第二步，对量子区域利用密度泛函理论进行基态计算，获得含时量子计算的初值；/n第三步，从漂移扩散方程和麦克斯韦方程组出发，对方程组利用隐格式的有限体积法进行求解，其中，电子密度，空穴浓度和电势定义在网格点上，矢量势定义在网格棱边上；利用全耦合牛顿迭代方法求解方程组，结合狄利克雷边界条件和纽曼边界条件，求解得到各节点的电势分布和磁矢分布；/n第四步，将界面处电势作为量子区域的边界条件，建立含时运动方程，采用二阶龙格库塔隐式方法对方程进行展开，并结合微扰理论求解电子密度，将更新的电子密度以及电磁区域的磁矢分布代入泊松方程得到系统电势分布，进而更新系统的哈密顿量，再将哈密顿量代入运动方程进行自洽求解，如此反复循环，直到运动方程达到收敛条件，此时的电子密度、哈密顿量决定当前时刻的系统状态，并由此计算出电流；/n第五步，利用求解出来的器件端口电流值，求解端口的电流密度，此电流密度将作为下一时刻电磁区域的源；/n第六步，再次执行第三步至第五步，获得下一时刻的电流，以此类推，不断循环第三步至第五步，从而获得所设时间周期内的系统随时间变化的含时响应结果。/n