Initial densty NeutralAtom

[ziand]

I use ATK 12.8.2 and the Hückel method to calculate a CNT-Device with metal electrodes.
Electrode calculation finishes in 1 step (bulk 5x5x3 metal atoms). This is okay.
Now, to save some time, I thought with Hückel we can choose
DeviceAlgorithmParameters(initial_density_type = NeutralAtom()).

What comes out at first step is (I deleted large portions of the output, but important stuff is there).

+------------------------------------------------------------------------------+
| Density Matrix Report                          DM        DD                  |
+------------------------------------------------------------------------------+
|   0  Al   [   0.716 ,  -0.827 ,   1.169 ]    3.95611   0.95611               |
|   1  Al   [   2.148 ,  -3.306 ,   1.169 ]    3.95619   0.95619               |
|   2  Al   [   3.579 ,  -5.786 ,   1.169 ]    3.95611   0.95611               |
|   3  Al   [   5.011 ,  -8.266 ,   1.169 ]    3.95653   0.95653               |
|   4  Al   [   6.443 , -10.746 ,   1.169 ]    3.95653   0.95653               |
|   5  Al   [   2.148 ,   1.653 ,   1.169 ]    3.95653   0.95653               |
|   6  Al   [   3.579 ,  -0.827 ,   1.169 ]    3.95601   0.95601               |
|   7  Al   [   5.011 ,  -3.306 ,   1.169 ]    3.95601   0.95601               |
|   8  Al   [   6.443 ,  -5.786 ,   1.169 ]    3.95653   0.95653               |
|   9  Al   [   7.875 ,  -8.266 ,   1.169 ]    3.95684   0.95684               |
|  10  Al   [   3.579 ,   4.133 ,   1.169 ]    3.95653   0.95653               |
|  11  Al   [   5.011 ,   1.653 ,   1.169 ]    3.95616   0.95616               |
|  12  Al   [   6.443 ,  -0.827 ,   1.169 ]    3.95722   0.95722               |
|  13  Al   [   7.875 ,  -3.306 ,   1.169 ]    3.95616   0.95616               |
|  14  Al   [   9.306 ,  -5.786 ,   1.169 ]    3.95653   0.95653               |
|  15  Al   [   5.011 ,   6.613 ,   1.169 ]    3.95611   0.95611               |
|  16  Al   [   6.443 ,   4.133 ,   1.169 ]    3.95601   0.95601               |
|  17  Al   [   7.875 ,   1.653 ,   1.169 ]    3.95722   0.95722               |
|  18  Al   [   9.306 ,  -0.827 ,   1.169 ]    3.95722   0.95722               |
|  19  Al   [  10.738 ,  -3.306 ,   1.169 ]    3.95601   0.95601               |
|  20  Al   [   6.443 ,   9.093 ,   1.169 ]    3.95619   0.95619               |
|  21  Al   [   7.875 ,   6.613 ,   1.169 ]    3.95619   0.95619               |
|  22  Al   [   9.306 ,   4.133 ,   1.169 ]    3.95601   0.95601               |
|  23  Al   [  10.738 ,   1.653 ,   1.169 ]    3.95616   0.95616               |
|  24  Al   [  12.170 ,  -0.827 ,   1.169 ]    3.95601   0.95601               |
|  25  Al   [   2.148 ,   0.000 ,   3.507 ]    7.27705   4.27705               |
|  26  Al   [   3.579 ,  -2.480 ,   3.507 ]    7.27734   4.27734               |
|  27  Al   [   5.011 ,  -4.960 ,   3.507 ]    7.27705   4.27705               |
|  28  Al   [   6.443 ,  -7.440 ,   3.507 ]    7.27609   4.27609               |
|  29  Al   [   7.875 ,  -9.919 ,   3.507 ]    7.27609   4.27609               |
|  30  Al   [   3.579 ,   2.480 ,   3.507 ]    7.27728   4.27728               |
...
|  70  Al   [   6.443 ,  10.746 ,   5.845 ]   10.84910   7.84910               |
|  71  Al   [   7.875 ,   8.266 ,   5.845 ]   10.85587   7.85587               |
|  72  Al   [   9.306 ,   5.786 ,   5.845 ]   10.84910   7.84910               |
|  73  Al   [  10.738 ,   3.306 ,   5.845 ]   10.85313   7.85313               |
|  74  Al   [  12.170 ,   0.827 ,   5.845 ]   10.85313   7.85313               |
|  75  Al   [   0.716 ,  -0.827 ,   8.183 ]   13.62751  10.62751               |
|  76  Al   [   2.148 ,  -3.306 ,   8.183 ]   13.63058  10.63058               |
|  77  Al   [   3.579 ,  -5.786 ,   8.183 ]   13.62751  10.62751               |
|  78  Al   [   5.011 ,  -8.266 ,   8.183 ]   13.62573  10.62573               |
|  79  Al   [   6.443 , -10.746 ,   8.183 ]   13.62573  10.62573               |
|  80  Al   [   2.148 ,   1.653 ,   8.183 ]   13.62573  10.62573               |
...
|  120  Al   [   7.875 ,   9.919 ,  10.521 ]   15.65670  12.65670              |
|  121  Al   [   9.306 ,   7.440 ,  10.521 ]   15.65670  12.65670              |
|  122  Al   [  10.738 ,   4.960 ,  10.521 ]   15.62076  12.62076              |
|  123  Al   [  12.170 ,   2.480 ,  10.521 ]   15.61755  12.61755              |
|  124  Al   [  13.602 ,   0.000 ,  10.521 ]   15.62076  12.62076              |
|  125   C   [  10.225 ,   0.000 ,  12.435 ]   15.38028  11.38028              |
|  126   C   [   5.525 ,   0.000 ,  12.435 ]   15.38028  11.38028              |
|  127   C   [   6.700 ,  -2.035 ,  12.435 ]   15.38028  11.38028              |
|  128   C   [   9.050 ,  -2.035 ,  12.435 ]   15.38028  11.38028              |
|  129   C   [   6.700 ,   2.035 ,  12.435 ]   15.38028  11.38028              |
|  130   C   [   9.050 ,   2.035 ,  12.435 ]   15.38028  11.38028              |
|  131   C   [   9.910 ,  -1.175 ,  13.146 ]   14.72651  10.72651              |
|  132   C   [   5.839 ,   1.175 ,  13.146 ]   14.72929  10.72929              |
|  133   C   [   5.839 ,  -1.175 ,  13.146 ]   14.72651  10.72651              |
|  134   C   [   7.875 ,  -2.350 ,  13.146 ]   14.72929  10.72929              |
|  135   C   [   9.910 ,   1.175 ,  13.146 ]   14.72929  10.72929              |
|  136   C   [   7.875 ,   2.350 ,  13.146 ]   14.72651  10.72651              |
|  137   C   [   7.875 ,  -2.350 ,  14.566 ]   14.72651  10.72651              |
|  138   C   [   9.910 ,  -1.175 ,  14.566 ]   14.72929  10.72929              |
|  139   C   [   9.910 ,   1.175 ,  14.566 ]   14.72651  10.72651              |
|  140   C   [   7.875 ,   2.350 ,  14.566 ]   14.72929  10.72929              |
...
|  270  Al   [   7.875 ,   8.266 ,  26.543 ]    3.95684   0.95684              |
|  271  Al   [   9.306 ,   5.786 ,  26.543 ]    3.95653   0.95653              |
|  272  Al   [  10.738 ,   3.306 ,  26.543 ]    3.95601   0.95601              |
|  273  Al   [  12.170 ,   0.827 ,  26.543 ]    3.95601   0.95601              |
+------------------------------------------------------------------------------+
|   0 E = -759.204 dE =  1.113262e+00 dM =  7.343037e+00 dH =  3.330028e+02    |
+------------------------------------------------------------------------------+

This looks like a very bad first guess and clearly far away from neutral atoms.
(The electrode copy are the first and last 75 atoms.)

Why is the starting guess so far off?

It still convergeres towards a reasonable result (--> Density matrix of Al about 3 and for C about 4) but it takes more steps than expected/necessary.

|  250  Al   [   2.148 ,  -1.653 ,  26.543 ]    2.99953  -0.00047              |
|  251  Al   [   3.579 ,  -4.133 ,  26.543 ]    2.99953  -0.00047              |
|  252  Al   [   5.011 ,  -6.613 ,  26.543 ]    3.00118   0.00118              |
|  253  Al   [   6.443 ,  -9.093 ,  26.543 ]    2.99914  -0.00086              |
|  254  Al   [   2.148 ,   3.306 ,  26.543 ]    2.99913  -0.00087              |
|  255  Al   [   3.579 ,   0.827 ,  26.543 ]    3.00023   0.00023              |
|  256  Al   [   5.011 ,  -1.653 ,  26.543 ]    3.00036   0.00036              |
|  257  Al   [   6.443 ,  -4.133 ,  26.543 ]    3.00023   0.00023              |
|  258  Al   [   7.875 ,  -6.613 ,  26.543 ]    2.99914  -0.00086              |
|  259  Al   [   3.579 ,   5.786 ,  26.543 ]    3.00118   0.00118              |
|  260  Al   [   5.011 ,   3.306 ,  26.543 ]    3.00023   0.00023              |
|  261  Al   [   6.443 ,   0.827 ,  26.543 ]    3.00006   0.00006              |
|  262  Al   [   7.875 ,  -1.653 ,  26.543 ]    3.00006   0.00006              |
|  263  Al   [   9.306 ,  -4.133 ,  26.543 ]    3.00023   0.00023              |
|  264  Al   [   5.011 ,   8.266 ,  26.543 ]    2.99953  -0.00047              |
|  265  Al   [   6.443 ,   5.786 ,  26.543 ]    2.99953  -0.00047              |
|  266  Al   [   7.875 ,   3.306 ,  26.543 ]    3.00036   0.00036              |
|  267  Al   [   9.306 ,   0.827 ,  26.543 ]    3.00006   0.00006              |
|  268  Al   [  10.738 ,  -1.653 ,  26.543 ]    3.00036   0.00036              |
|  269  Al   [   6.443 ,  10.746 ,  26.543 ]    2.99953  -0.00047              |
|  270  Al   [   7.875 ,   8.266 ,  26.543 ]    3.00052   0.00052              |
|  271  Al   [   9.306 ,   5.786 ,  26.543 ]    2.99953  -0.00047              |
|  272  Al   [  10.738 ,   3.306 ,  26.543 ]    3.00023   0.00023              |
|  273  Al   [  12.170 ,   0.827 ,  26.543 ]    3.00023   0.00023              |
+------------------------------------------------------------------------------+
|  27 E = -275.907 dE =  4.153771e-06 dM =  1.982099e-05 dH =  1.505746e-05    |
+------------------------------------------------------------------------------+
| Calculation Converged in 27 steps                                            |
+------------------------------------------------------------------------------+

If I increases the length of the central CNT it takes more and more steps to converge and at more than 10 CNT unit cells it refuses to converge at all.

If I do an equivalent bulk calculation, the output of step 0 looks much better.
(Ans this is what I do from now on.)

[Anders Blom]

There is no simple solution to this, although we are working on some algorithms that make the first few steps more well behaved. Yes, NeutralAtoms is a very bad starting guess for the open system - that's why EquivalentBulk helps.

There is a trick, that can help you reduce the calculation time though. You can give a separate set of IterationControlParameters to EquivalentBulk, so you can for instance set a max_steps of just 5 or 10, or a high convergence criterion (often also a higher damping_factor). Even with a reasonable output from EB, not necessarily fully converged but closer to selfconsistent than NeutralAtoms, the device part will converge much better.