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SIESTA与TBtrans：偏压扫描和I–V曲线

从电极、零偏压到七个偏压的自洽计算，再提取实际透射和电流。

更新于 2026-11-06约 11 分钟阅读按任务与环境选择适用配置
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本篇接着TranSIESTA自洽输运入门，把三个偏压扩展为七个点，说明一条可照着执行的I–V工作流。每个偏压分别求解自洽器件哈密顿量，再由TBtrans提取对应透射；输入、数据和图都来自实际运行。

下载完整输入、实际NC/HSX数据和绘图脚本。解压进入资料包目录，先画鸢算科技集群的实际参考结果：

bash view.sh

figures下得到结构与电极k点、七个偏压的透射/I–V，以及两种能量网格的电流比较三张图；analysis/cases.csv和各偏压透射CSV保存数值。参考数据位于 reference/cases，无需先重新计算。

环境为SIESTA/TranSIESTA/TBtrans5.4.2，Intel oneAPI2024.2、Intel MPI2021.13、MKL顺序LP64；后处理使用sisl0.16.4、NumPy、SciPy和Matplotlib。SIESTA/TBtrans在本例采用CPU路径。新计算先确认CPU队列可用，再提交：

sinfo -p cpu-8173m
sbatch job.slurm
squeue -u "$USER"

模板按CPU队列整节点规则申请56核，工作流最多同时运行4个条件、每个条件2个MPI进程、每进程1线程，实际最多使用8个物理核心。模块名称说明构建目标，本文数据不用于特定CPU节点的性能比较。请在分配的计算资源内运行完整DFT流程。

1 看清模型和电压定义#

采用固定均匀碳链：电极原胞8个C、器件32个C，C–C间距1.27 Å，横向晶胞12 Å。器件包括两端各8个电极缓冲原子和中间16个C。PBE、DZP基组、150 Ry网格、PAO能量位移200 meV，电子温度300 K；电极比较32和64个纵向k点，器件使用64k电极。

实际碳链器件与电极k点对照

偏压取−0.20、−0.10、−0.05、0、+0.05、+0.10、+0.20 V。输入中high电极化学势设为V、low电极设为0；分析时从NC文件读取实际化学势，不再手动猜测能量零点。

这是固定结构、理想同质接触的教学模型，没有优化碳链，也不代表真实碳链的稳定结构或实验器件。

2 工作流先后顺序#

sbatch job.slurm依次完成以下步骤：

  1. 计算C8电极的32k、64k两个对照，得到 electrode.HSX。
  2. 用64k电极计算零偏压C32器件，生成 device.DM、device.TSDE、device.TS.HSX。
  3. 对零偏压器件运行两种TBtrans实轴能量网格。
  4. 将零偏压DM与TSDE分别复制到六个非零偏压目录，作为初始状态。
  5. 各偏压重新进行TranSIESTA自洽，随后分别运行两种TBtrans网格。
  6. sisl读取NC，输出透射、每个偏压的电流、CSV和三张图。

非零偏压目录需要前面的零偏压状态，不能从空目录跳过这一步。输入中的关键项为：

SolutionMethod transiesta
TS.Voltage 0.2 eV
DM.UseSaveDM true
TS.HS.Save true
TS.DE.Save true
TBT.HS device.TS.HSX

这里的 TS.Voltage以eV指定电子化学势差，对应本例0.2 V外加偏压。零偏压目录的 DM.UseSaveDM为false；后续目录为true。每个条件都读取本目录自洽后的 device.TS.HSX，电极HSX路径则共同指向64k电极目录。

展开查看+0.20 V器件的完整FDF输入 
SystemLabel device
SystemName Own uniform carbon chain NEGF tutorial
NumberOfAtoms 32
NumberOfSpecies 1
LatticeConstant 1.0 Ang
%block ChemicalSpeciesLabel
1 6 C
%endblock ChemicalSpeciesLabel
%block LatticeVectors
40.6400000000 0.0 0.0
0.0 12.0 0.0
0.0 0.0 12.0
%endblock LatticeVectors
AtomicCoordinatesFormat Ang
%block AtomicCoordinatesAndAtomicSpecies
0.0000000000 6.0000000000 6.0000000000 1
1.2700000000 6.0000000000 6.0000000000 1
2.5400000000 6.0000000000 6.0000000000 1
3.8100000000 6.0000000000 6.0000000000 1
5.0800000000 6.0000000000 6.0000000000 1
6.3500000000 6.0000000000 6.0000000000 1
7.6200000000 6.0000000000 6.0000000000 1
8.8900000000 6.0000000000 6.0000000000 1
10.1600000000 6.0000000000 6.0000000000 1
11.4300000000 6.0000000000 6.0000000000 1
12.7000000000 6.0000000000 6.0000000000 1
13.9700000000 6.0000000000 6.0000000000 1
15.2400000000 6.0000000000 6.0000000000 1
16.5100000000 6.0000000000 6.0000000000 1
17.7800000000 6.0000000000 6.0000000000 1
19.0500000000 6.0000000000 6.0000000000 1
20.3200000000 6.0000000000 6.0000000000 1
21.5900000000 6.0000000000 6.0000000000 1
22.8600000000 6.0000000000 6.0000000000 1
24.1300000000 6.0000000000 6.0000000000 1
25.4000000000 6.0000000000 6.0000000000 1
26.6700000000 6.0000000000 6.0000000000 1
27.9400000000 6.0000000000 6.0000000000 1
29.2100000000 6.0000000000 6.0000000000 1
30.4800000000 6.0000000000 6.0000000000 1
31.7500000000 6.0000000000 6.0000000000 1
33.0200000000 6.0000000000 6.0000000000 1
34.2900000000 6.0000000000 6.0000000000 1
35.5600000000 6.0000000000 6.0000000000 1
36.8300000000 6.0000000000 6.0000000000 1
38.1000000000 6.0000000000 6.0000000000 1
39.3700000000 6.0000000000 6.0000000000 1
%endblock AtomicCoordinatesAndAtomicSpecies
PAO.BasisSize DZP
PAO.EnergyShift 200 meV
MeshCutoff 150 Ry
XC.functional GGA
XC.authors PBE
ElectronicTemperature 300 K
MaxSCFIterations 500
MinSCFIterations 3
SCF.DM.Converge true
SCF.DM.Tolerance 1.e-7
SCF.FreeE.Converge true
SCF.FreeE.Tolerance 1.e-6 eV
DM.MixingWeight 0.05
DM.NumberPulay 6
DM.UseSaveDM true
WriteDM true
Save.HS true
TS.HS.Save true
TS.DE.Save true
SolutionMethod transiesta
TS.Voltage 0.2 eV
%block TS.ChemPots
high
low
%endblock TS.ChemPots
%block TS.ChemPot.high
mu V
contour.eq
begin
C-high
T-high
end
%endblock TS.ChemPot.high
%block TS.ChemPot.low
mu 0.0 eV
contour.eq
begin
C-low
T-low
end
%endblock TS.ChemPot.low
%block TS.Contour.C-high
part circle
from -40.0 eV + V to -10 kT + V
points 34
method g-legendre
%endblock TS.Contour.C-high
%block TS.Contour.T-high
part tail
from prev to inf
points 12
method g-fermi
%endblock TS.Contour.T-high
%block TS.Contour.C-low
part circle
from -40.0 eV to -10 kT
points 34
method g-legendre
%endblock TS.Contour.C-low
%block TS.Contour.T-low
part tail
from prev to inf
points 12
method g-fermi
%endblock TS.Contour.T-low
%block TS.Contours.nEq
neq
%endblock TS.Contours.nEq
%block TS.Contour.nEq.neq
part line
from -|V| - 5 kT to |V| + 5 kT
delta 0.01 eV
method mid-rule
%endblock TS.Contour.nEq.neq
%block TS.Elecs
high
low
%endblock TS.Elecs
%block TS.Elec.high
HS ../lead-k64/electrode.HSX
chemical-potential high
semi-inf-direction -a1
electrode-position 1
%endblock TS.Elec.high
%block TS.Elec.low
HS ../lead-k64/electrode.HSX
chemical-potential low
semi-inf-direction +a1
electrode-position end -1
%endblock TS.Elec.low
TBT.HS device.TS.HSX
TBT.T.All true
TBT.DOS.A true
TBT.DOS.Gf true
TBT.T.Eig 12
%block TBT.Contours
line
%endblock TBT.Contours
%block TBT.Contour.line
part line
from -1.5 eV to 1.5 eV
delta 0.01 eV
method mid-rule
%endblock TBT.Contour.line

集群已有PseudoDojo0.4 PBE SR的C.psml，prepare.py从安装目录读取；下载包不重新分发赝势。

3 检查任务与文件#

在工作流根目录查看：

grep 'Job completed' cases/bias-plus-0p20/siesta.out
grep 'SCF cycle converged' cases/bias-plus-0p20/siesta.out
grep 'End of run:' cases/bias-plus-0p20/tbtrans-fine.out
ls cases/bias-plus-0p20/device*.nc

同时保留 device-coarse.TBT.nc和 device.TBT.nc，分别对应0.010 eV与0.005 eV网格。它们来自相同的自洽器件哈密顿量。还应检查各SCF块的收敛情况，任务退出并不自动说明所有物理输入都合理。

4 用sisl读出自己的透射和电流#

下面以下载包里的+0.20 V参考结果为例；处理自己新算的数据时，把 reference/cases换成 cases：

module load sisl/0.16.4
cd reference/cases/bias-plus-0p20
python - <<'PY'
import sisl
import numpy as np
import matplotlib
matplotlib.use("Agg")
import matplotlib.pyplot as plt
f=sisl.get_sile("device.TBT.nc")
E=f.E
T=f.transmission("high","low")
I=f.current("high","low")
print("Electrodes:",f.elecs)
print("Chemical potentials / eV:",f.mu("high"),f.mu("low"))
print("One-spin-block current / A:",I)
print("Nonmagnetic total current / microA:",2*I*1e6)
np.savetxt("my-transmission.csv",np.column_stack((E,T)),delimiter=",",header="E_eV,T_per_spin_block",comments="")
plt.plot(E,T)
plt.xlabel("Energy relative to electrode reference (eV)")
plt.ylabel("Transmission per spin block")
plt.tight_layout();plt.savefig("my-transmission.png",dpi=180)
PY

得到 my-transmission.csv、my-transmission.png及终端电流。high、low与输入电极名称一致，调换读取方向会改变电流符号。这里API返回单自旋块电流；本例是非磁体系，两个相同自旋块相加，因此总电流乘2。自旋极化或自旋器件应分别处理相应通道，不能一律乘2。

七个自洽偏压的实际透射与I–V曲线

5 本组实际电流#

下表采用0.005 eV能量步长，已按非磁体系两个自旋块相加：

偏压 / V 非磁性总电流 / μA
-0.20 -30.97762649
-0.10 -15.48888952
-0.05 -7.74445422
+0.00 +0.00000000
+0.05 +7.74445396
+0.10 +15.48888829
+0.20 +30.97762227

正负偏压原始值均保留。本例I–V接近线性，但仍需检查基组、网格、电极k点、器件缓冲长度和SCF积分轮廓。两种TBtrans能量步长的比较只涉及实轴后处理积分，详见能量网格与电流核对。

参考：SIESTA官方碳链教程、TBtrans官方手册。

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