QuantumATK亮点文章:Janus 二维材料用于高效光电池器件(Nano Lett. 2018)

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之前的文章(链接)介绍了在原子尺度上模拟光电池器件时考虑温度效应的方法[1],最近这种方法又被用于一种新的堆叠 Janus 光电池器件[2]。基于最新发现的二维材料MoSSe的超薄(0.5-1nm)器件可以产生的光电流和外量子效率(EQE)比 20-40 倍厚的硅基器件还要大。 这类 Janus 过渡金属二硫族化合物(TMD)是一种双侧不对称材料,跨平面的不对称性在二维材料平面的两侧产生了一个偶极,这个偶极可以多层堆叠。这样得到的“p–n结”可以用于分离在底层和顶层产生的电子(e-)和空穴(h+)载流子,载流子分别进入两侧的石墨烯电极中产生光电流。至关重要的是,石墨烯不会像金属电极一样屏蔽这种跨层的偶极。 使用 QuantumATK 的图形界面可以基于 TMD 创建堆叠Janus光电池器件。QuantumATK的第一原理DFT和DFT-NEGF 方法、光电流计算模块等可以用于计算能带、态密度、电子透射、输运通道、光电流密度等各种重要性质。文章报道的 Janus 光电池器件可以产生的光电流和外量子效率(EQE)比 20-40 倍厚的硅基器件还要大。此外作者还注意到,由于偶极的堆叠影响,器件在光子能量小于单层 Janus MoSSe 的带隙时也能产生光电流。作者建议也许可以使用 MoSSe Janus 层与硅薄膜结合来提高硅对低能量光子的吸收效果。作者还建议可以在光电应用领域里研究其他 Janus 二维材料(例如 CrSSe、ZrSSe 等)。 相关教程和讲座 文章中所用方法都在QuantumATK O-2018.06之后的版本实现,详见: Webinar on accurate atomistic simulations of solar-cell devices including temperature effects Tutorial on the photocurrent in a silicon p-n junction Tutorial on electron transport […]

QuantumATK亮点文章:理论计算与实验观测结合研究分子器件

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单分子器件一直是量子输运研究的前沿,如何可控的制备和测量单分子的导电性一直是实验上的巨大挑战,而基于DFT-NEGF方法的理论计算则为实验结果的解释、理解分子器件构效关系提供了有力的工具。2018年,北京大学的郭雪峰老师课题组发表的两篇文章分别报道了在不同的外加影响(电场、溶剂、温度)下分子结构变化和多个导电状态的关系。 这两项工作中的理论计算部分由中国科技大学李星星博士使用QuantumATK完成,以共同第一作者身份发表在《自然·通讯》杂志和《德国应用化学》杂志上。 《自然·通讯》[Nat. Commun. 9, 807 (2018)] 报道了基于实验研究不同溶剂、温度下的脲基嘧啶酮四重氢键二聚体的的电学多态信号, 运用理论计算揭示导致电导发生变化的本质原因是由电致氢迁移和内酰胺–内酰亚胺互变异构引起的异构化过程。相关新闻报道见北大官网:《自然•通讯》发表郭雪峰课题组在分子间作用力动力学研究中的重要进展)。 《德国应用化学》[Angew. Chem. Int. Ed. 57, 14026 (2018)] 报道了基于实验观测三苯基和六苯基单分子结在栅压下的双极电荷传输,运用理论计算揭示双极电荷传输特性是由于当栅极电压从负变为正时主导电子传输轨道从HOMO变为LUMO所致。新闻报道见北大官网:化学学院郭雪峰课题组在单分子场效应晶体管研究中取得重要进展)。 相关教程 所有文中所涉及的计算方法均在QuantumATK中提供,详见以下教程: 相关的中文教程列表 分子器件模拟 英文教程 Four tutorials on molecular electronics Tutorial on studying the electron transport properties of a graphene nanoribbon with a distortion 参考文献 Nat. Commun. 9, 807 (2018) Angew. Chem. Int. Ed. 57, 14026 (2018) 立即试用 […]

免费在线讲座:用于电子器件和表面结构弛豫的高效新框架

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2018年12月12日,Synopsys QuantumATK团队将举办免费在线讲座,介绍用于电子器件和表面结构弛豫的高效新框架。   注册链接: 点击这里注册。   主讲人: Petr Khomyakov, PhD, Synopsys QuantumATK团队的高级应用工程师   时间: 2018年12月12日下午16点-16点30分 (注册时有两场时间可选,内容相同,可任选一场)   时长: 30分钟   内容: 培训中将介绍如何使用QuantumATK进行准确的结构弛豫:   学习如何使用NanoLab界面进行基于全自动Bulk Rigid Relaxation (BRR) 方法设置Optimize Device Configuration Study Object 的计算和结果可视化。 发现在输运方向上器件中心区域如何考虑的晶格扩张和收缩,以及局部原子弛豫。 新框架如何用于优化Ag(100)/Ag(111)界面的结构。   欢迎在讲座后的答疑时间提问。   参考: 教程:https://docs.quantumwise.com/tutorials/optimize_device_configuration/optimize_device_configuration.html   注册链接: 点击这里注册。 立即试用 QuantumATK! 申请QuantumATK的全功能试用许可  

免费在线讲座:太阳能电池的精确模拟以及光电性能的温度效应

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2018年11月7日,Synopsys QuantumATK团队将举办免费在线讲座,介绍如何使用QuantumATK的最新功能Photocurrent模块在原子水平上精确模拟太阳能电池的光电流和开路电压。 温度效应是影响开路电压和光电流的重要因素,在光电流计算中要考虑温度效应必须将电声耦合考虑在内。 注册链接 点击这里注册。 主讲人 Mattias Palsgaard, PhD, QuantumATK 中光电流计算模块的开发者 Ulrik Vej-Hansen, PhD,Synopsys QuantumATK团队的应用工程师 时间 2018年11月7日,下午4:00 (注册时有两场时间可选,内容相同,可任选一场) 时长 30分钟(含答疑时间) 内容 本次讲座将介绍如何使用QuantumATK模拟太阳能电池: 如何设置光电流计算以及如何使用NanoLab图形界面分析结果。 使用新的工具配合QuantumATK中的其他方法理解器件在光照下的特性。 如何使用新工具搜索太阳能电池和发光二极管(LED)可用的新材料。 欢迎在讲座后的答疑时间提问。 参考 教程:https://docs.quantumwise.com/tutorials/photocurrent/photocurrent.html 论文:https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.10.014026 注册链接 点击这里注册。  

QuantumATK亮点文章:研究一种极端的分子电子绝缘体

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最近 Nature[1]上发表了一项研究,提出了一种新型的分子结,这种分子结比同样尺度的真空区域更加“绝缘”。这个效应是通过设计分子实现量子相消干涉实现的,这些分子在某些能量范围里强烈的抑制电子在分子中的透射。 输运性质的计算是由哥本哈根大学的Gemma Solomon组使用QuantumATK完成的。 合成与电导的实验测量是由上海师范大学的肖胜雄、哥伦比亚大学的Colin Nukolls和Latha Venkataraman等研究组合作完成的。这类分子可能用在热电或其他电子器件中作为绝缘体。 图1. 电子透过单分子结隧穿时的波函数衰减示意图。(a)透过低导电性分子(烷链)时;(b)透过空结(即电极间是真空);(c)透过一个分子发生量子相消干涉的情况,隧穿概率非指数衰减。     参考资料 所有文中所涉及的计算方法均在QuantumATK中提供,详见以下教程: 相关的中文教程列表 英文教程 Four tutorials on molecular electronics Tutorial on studying the electron transport properties of a graphene nanoribbon with a distortion 参考文献 [1] M. H. Garner, H. Li, Y. Chen, T. A. Su, Z. Shangguan, D. W. Paley, T. Liu, F. Ng, H. […]

QuantumATK在半导体和微电子工业研究中的应用

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英特尔:铜纳米线的电子输运特性 文章(PHYSICAL REVIEW B 92, 115413 (2015))使用密度泛函理论以及密度泛函紧束缚近似模型,对直径约 1 nm 和 3 nm 的铜纳米线的不同晶向和表面端基原子的电子输运性质进行了研究。发现无论何种直径、晶向、端基原子均不影响其金属性。电子透射强烈的依赖于晶向和端基原子,沿 [110] 方向的铜纳米线透射最强。与无端面的纳米线相比,表面氧化纳米线的电子透射显著降低。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_001/ 美光:绝缘体中的金属杂质的影响与阻变存储器 文章(JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 117, 054504 (2015))对铜掺杂SiO2和Al2O3在热力学、动力学和电子性质方面进行了原子尺度的模拟研究,得到不同浓度(9.91×1020 cm-3和3.41×1022 cm-3)的铜掺杂下的定量结果。金属-绝缘体界面导致体系的形成能与块体相比降低大约4eV。另外,本文还介绍了Cu-Cu相互作用对降低化学势的重要性。这些概念的讨论是在关于阻变存储器(RRAM-M)局域传导路径的形成及其稳定性的背景下展开的。电子态密度以及通过这些局域路径的非平衡透射研究确认了透射增大了三个数量级。本文通过原子尺度的漂移-扩散计算,研究了这些传导路径的动力学行为。本文最后对RRAM-M的原胞进行了分子动力学模拟,试图将上述所有现象用统一的自洽的模型结合起来。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_002/ 松下:金属-有机体系的载流子注入 文章(Surface Science 600 (2006) 5080–5083)研究了单个π共轭分子吸附或夹在两个电极上的电流特性,尤其是载流子通过有机/金属界面的注入。首次使用第一性原理方法研究了分子的取向和电极材料对电流对影响:过去的电流计算都是假设分子与电极之间通过共价键连接。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_003/ 三星:金属-半导体界面接触电阻 文章(APPLIED PHYSICS LETTERS 105, 053511 (2014))使用密度泛函理论和密度泛函紧束缚近似研究了n-Si在[100]方向电阻率下限的理想金属电子结构效应。结果表明,在高掺杂浓度时,“理想金属”假设在某些情况下会失效,因此对n-Si的接触电阻下限至少低估了一个数量级。金属和半导体在横向动量空间的失配,也就是所谓的“谷过滤效应”,对使用的原胞的横向边界情况的细节非常敏感。因此在金属-半导体接触面的电子输运的原子尺度模拟,需要明确所包含的金属原子和电子结构。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_004/ 格罗方德:肖特基势垒的调制 文章使用密度泛函理论研究了肖特基势垒高度(Schottky Barrier Height)对界面形态的依赖,以及如何通过在 NiSi2/Si界面替位掺杂进行调制。使用 meta-GGA 交换相关泛函预测出相当精确的Si带隙。本文的研究表明,(n型半导体的)电子肖特基势垒高度在(001)方向显著低于(111)方向。这些结果定性上与界面形态依赖的肖特基势垒高度的实验结果一致。肖特基势垒高度能够通过 NiSi2/Si 界面替代掺杂显著降低,本文讨论了 Si 掺杂位点、杂质类型以及晶向对优化肖特基势垒高度的影响。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_005/ IBM:纳米线作为下一代晶体管互连技术的可能性 […]

QuantumATK独有的新功能:考虑电声耦合效应的用于更有效和准确的模拟真实的整流器和晶体管新方法

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Synopsys QuantumWise公司与丹麦科技大学的研究组开发了一种处理电声耦合(EPC)效应的用低成本进行大尺度计算的方法,称为“特殊热位移(STD)-Landauer方法”[1]。EPC效应(例如声子辅助隧穿)在大尺度电子器件性能中起到核心作用,并且无论从实验和模拟角度考虑都是这一领域的主要挑战之一。STD-Landauer方法概念非常简单(见下文图片)并且在第一性原理方法模拟真实的整流器和晶体管方面比任何已有的考虑EPC效应的第一性原理输运方法都更高效。 概念   与实验结果比较 在文献[1]中,考虑了EPC效应后计算得到的二维硅n-i-n双栅场效应管和硅p-n结的伏安特性(I-V)曲线计算中和硅纳米线和块体的载流子迁移率,都与实验结果和最先进微扰理论计算结果高度吻合。因此,STD-Landauer方法将成为对下一代器件和纳米材料进行原子尺度设计的有力工具。   相关资源 案例研究:请参考根据文献[1]准备的案例研究学习如何使用STD-Landauer方法计算硅p-n节器件伏安特性曲线和投影局域态密度(PLDOS)。您可以使用VNL用户界面进行二维硅n-i-n双栅场效应管,硅p-n结和硅纳米线以及块体的建模。STD-Landauer方法和另外一种考虑电声耦合效应的计算方法MD-Landauer [3] 已经由Synopsys QuantumWise公司在International Workshop on Computational Nanotechnology研讨会上发布(幻灯片下载)   参考文献 [1] T. Gunst, T. Markussen, M. L. N. Palsgaard, K. Stokbro and M. Brandbyge, “First principles electron transport with phonon coupling: Large scale at low cost”, Phys. Rev. B 96, 161404 (R) (2017). arXiv, pages 1706.09290, 2017. URL: arXiv:1706.09290. […]

QuantumATK独有的新功能:考虑电声耦合效应能够准确和高效的计算电阻率和迁移率的新方法

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Synopsys QuantumWise公司与丹麦科技大学的研究组使用QuantumATK软件发表了一篇Phys. Rev. B文章[1]。文章介绍了一种  MD-Landauer 的新方法,将格林函数输运计算和分子动力学模拟结合,准确、高效的考虑 电声耦合(EPC)效应 的影响下的电阻率和迁移率。电声耦合效应在大部分电子器件中扮演着至关重要的作用。在各种体系(如硅和金纳米线,硅和金块体,碳纳米管和石墨烯,见图表1)中,MD-Landauer方法都得到了实验结果和使用目前流行的玻尔兹曼输运方程(BTE)方法计算的验证[2]。迁移率和电阻率的计算半定量的与BTE方法计算和实验结果一致,变化趋势完全重现。这表明 MD-Landauer 方法在考虑大体系和复杂体系(如非晶,缺陷和替位)的电声耦合效应中可以代替BTE方法。全尺度密度泛函电声耦合计算已成为可实现的方法,并且MD-Landauer方法在计算时间上更为合理。   Fig.1.MD-Landauer方法的图解: 1. 体系在Maxwell-Boltzmann分布的随机初始速度和目标温度下用分子动力学平衡一系列(10-50)MD轨迹,得到该温度下的一组结构;2. 使用ATK-DFT-NEGF方法对所有得到的结构进行电子透射计算,并将透射函数进行平均得到目标温度下的透射;3. 温度相关的电阻率由得到;4. 进一步由电阻率和态密度可以得到迁移率。   相关资源 Synopsys QuantumWise公司根据此文制作了金块体电阻率计算的案例。在网站上您可以找到关于 计算透射/电阻率 和 评估迁移率(使用BTE方法)的教程。其中所涉及的如硅和金纳米线和块体,碳纳米管和石墨烯都可以使用VNL图形用户界面进行建模和结构优化。 QuantumATK在处理电声耦合效应方面更高效的方法文章也已经发表,主要介绍特殊热位移(STD)-Landauer方法(STD-Landauer)以及其在超大尺度硅器件中的应用[3]。 MD-Landauer和STD-Landauer两种方法都已经由Synopsys QuantumWise公司在International Workshop on Computational Nanotechnology会议上发布。   参考文献 [1] T. Markussen, M. Palsgaard, D. Stradi, T. Gunst, M. Brandbyge and K. Stokbro, “Electron-phonon scattering from Green’s function transport combined with molecular dynamics: Applications to mobility […]

QuantumATK在半导体和微电子工业研究中的应用—名企系列论文(7)使用QuantumATK研究降低半导体器件中的金属-半导体接触电阻

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  格罗方德和IBM研究院发表了使用QuantumATK的新工作,提供了原子水平的视角来研究半导体Ge和金属TiGe在亚10纳米节中的接触。此项研究为如何优化界面接触电阻的研究指明了方向。   主要发现: 此工作揭示了TiGe/Ge接触的肖特基势垒主要由TiGe的相和Ge的晶向影响。界面的原子结构对肖特基势垒影响很大,此类研究对于最高级的实验测量来说都是极具挑战性的。因此在这项研究中原子尺度模拟工具起到了至关重要的作用。QuantumATK中的原子尺度模拟工具特别适合用来模拟金属-半导体界面,因为它使用物理上正确的边界条件模拟界面并能够准确的计算半导体的能带和掺杂。 此项工作还揭示通过增加半导体的掺杂浓度,可以降低接触电阻,将肖特基势垒转变为欧姆接触,这对于亚10纳米技术节点十分重要。   与实验吻合良好 许多计算的性质,如Ge的能带,肖特基势垒,伏安特性曲线趋势和掺杂的接触电阻变化趋势都与实验结果吻合良好。结果举例请见下图表。 参考文献: [1] H. Dixit, C. Niu, M. Raymond, V. Kamineni, R. K. Pandey, Member, IEEE, A. Konar, J. Fronheiser, A. V. Carr, P. Oldiges, P. Adusumilli, N. A. Lanzillo, X. Miao, B. Sahu and F. Benistant, “First-principles Investigations of TiGe/Ge Interface and Recipes to Reduce the […]

QuantumATK在半导体和微电子工业研究中的应用—名企系列论文(6)纳米线作为下一代晶体管互连技术的可能性

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  IBM Research at Albany Nanotech最近使用QuantumATK发表了一篇论文,研究了四种新颖的金属纳米线作为后道布线互连、可能获得某些超过目前所用铜线的性能。 此类互连技术所用材料主要有三个方面的性能要求: 1)结构完整性,抗电迁移; 2)低表面散射电阻; 3)低晶界散射电阻。   QuantumATK可以用来研究Pt、Rh、Ir、Pd、Cu纳米线(0.5nm~3nm)的上述几种性质。   1)结合能(cohesive energy)可以使用ATK-DFT能量计算工具得到,并用来表征不同尺寸纳米线作为互连的强度。 2)不同尺寸和方向的纳米线的电导使用ATK-DFT+NEGF电子输运计算工具得到,并用来预测由于不同取向的表面散射造成的电子电阻。 3)散射区不同尺寸的晶界的电导也由ATK-DFT+NEGF电子输运计算工具得到,用于预测电阻(相比于块体电阻),Cu的晶界比电阻与已公开的实验和计算结果一致。   VNL图形界面可以很方便的构建无晶界和有晶界的纳米线。 Schematic illustration of the transistor-interconnect technology for which properties of Pt, Rh, Ir and Pd nanowires were calculated using QuantumATK. Cross section of nanowire oriented along [110] is shown together with cohesive energy as a function […]