QuantumATK亮点文章:研究一种极端的分子电子绝缘体

Posted · Add Comment

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

Posted · Add Comment

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

Posted · Add Comment

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

Posted · Add Comment

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

Posted · Add Comment

  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

Posted · Add Comment

  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 […]

QuantumATK独有的新功能:非平衡态格林函数方法研究半无限表面模型

Posted · Add Comment

概述 QuantumATK从最新版本开始引入了一个全新的、独一无二的半无限表面模型。与非平衡态格林函数方法配合,半无限表面模型可以比表面slab模型更完善的模拟表面体系。描述此方法的预印文章已经在arXiv上公开发布(https://arxiv.org/abs/1707.02141)。 模型 片层(Slab)模型 与其他的周期性模型程序类似,QuantumATK也可以用传统的Slab模型来描述表面体系,但Slab模型有很大的缺陷和局限: Slab最大的不足是无法模拟实际表面下方通常是无限大的块体材料; 由于厚度有限,Slab中的电子容易体现出量子限制的效应; 两个表面之间可能相互影响; 很难正确的在表面方向模拟外加电场; 经常需要表面钝化、偶极校正等额外补救措施。 单电极表面(One-probe surface)模型(或半无限表面模型) 为此,QuantumATK 基于 DFT 和格林函数方法方法开发了真正可以模拟半无限表面体系的模型,即将一个表面 Slab 模型耦合于半无限的块体结构上(见下图)。 这种模型有以下几个独特的优势: 算法复杂度降低,特别适合大体系计算; 表面性质对表面层数的依赖显著降低; 只需很少的层数就可以再现块体的电子态; 可以正确的施加垂直表面方向的电场,模拟电场对表面体系的影响。 应用 文章报道了半无限表面模型的原理和应用,这些应用实例展示了半无限表面模型和格林函数方法的精确性,也证实了这个模型在表面体系研究中比传统模型具有明显的优势。 计算过渡金属的功函数 计算贵金属和拓扑绝缘体的表面态 Ge(001)|Si薄膜半导体异质结构的能带对齐 电场对碘在Pt(111)上吸附的影响   NanoLab高级图形用户界面:专注于研究,更快获得结果 NanoLab 图形用户界面丰富易用的功能可以让用户专注于研究项目的科学问题,专心思考科学问题,更快的发现新材料、创建新结构,避免在数据的导入、导出、处理、作图等琐碎的问题上浪费时间。NanoLab 可以: 最强大的材料表面结构建模工具 直观的选择表面方向和表面超胞 最合理的表面结构优化方法 快速构建各种结构模型 内嵌晶体结构数据库 搜索在线晶体结构数据 应用领域 与QuantumATK中的结构优化、能量计算、CI-NEB过渡态搜索等功能结合,这种模型还在表面化学、催化等领域有广泛的潜在应用。 表面功函数 表面态 表面反应过渡态与催化 拓扑绝缘体 相关的实例教程 表面结构与吸附 表面分子吸附体系建模:中文教程、英文教程 硅表面重构研究:中文教程、英文教程 CO在Pd(100)表面的吸附:英文教程 复数能带 硅(100)表面体系的复数能带:英文教程 单电极表面模型与格林函数方法模拟表面 中文教程、英文教程 […]

QuantumATK亮点文章:非对称的金属-半导体-金属MoS2异相结

Posted · Add Comment

科学家使用QuantumATK研究了非对称的金属-半导体-金属MoS2异相结。对不同掺杂浓度的透射和β-和β*-界面处的能垒研究表明,异相结的非对称能垒高度与掺杂浓度无关。这些结果显示了MoS2这个热门材料在电路元件设计中的一些有趣的性质。 使用QuantumATK对金属-半导体、半导体金属界面的结构进行优化得到的结果与实验一致。密度泛函理论和非平衡态格林函数方法则用来研究电子态和电子输运性质。 VNL中提供了非常方便的界面建模工具,用来构造并优化了金属-半导体、半导体-金属界面器件。两个界面的有效电子能垒有0.2V的差别,与掺杂浓度无关。 VNL中集成的Projected Local Density of States工具可以方便快捷的研究器件的输运性质和能带对齐,并直接作图,免去研究者编程和数据处理的痛苦。相关的教程参见:这里。 参考文献 [1] D. Saha, S. Mahapatra, “Asymmetric Junctions in Metallic-Semiconducting-Metallic Heterophase MoS₂”, IEEE Transactions on Electron Devices, vol.PP, no.99, pp.1 (2017)

QuantumATK亮点文章:NanoLab在材料界面的最优超胞建模中的应用

Posted · Add Comment

Synopsys QuantumWise 公司的研究者开发了一种使用 NanoLab 图形界面确定材料界面最优超胞的方法。界面的对称性和结构最终决定了它们在纳米尺度的器件行为。在最近的文章中,Synopsys QuantumWise 公司的研究者介绍了这种用于确定两个任意表面之间可能的晶格匹配并计算相关匹配的界面应力的通用方法。这种方法已经在 NanoLab 中的 Interface Builder 插件工具中实现,可以快速创建两种材料之间的复杂界面。 文章报道了将此方法用于搜索两种界面结构,这两种界面都有精确测量的结果: 并五苯晶体和金(111)表面之间界面 半导体砷化铟和金属铝之间界面 该方法在这两个体系中预测的界面几何结构与实验中获得的结果非常一致,这些匹配结果都很复杂,不依靠自动结构搜索方法很难正确预测。 如果您感兴趣,可以参阅我们的Interface Builder的手册 here 学术免费版NanoLab包含此功能,如您需要可以使用学术邮箱申请 here   参考文献: [1]   D. Stradi, L. Jelver, S. Smidstrup and K. Stokbro, “Method for determining optimal supercell representation of interfaces”, J. Phys.: Condens. Matter 29 (2017) 185901 (7pp)

QuantumATK亮点文章:界面处能带收窄导致CZTS太阳能电池开路电压损失

Posted · Add Comment

在Applied Physics Letters 2017 年发表的最新文章中使用 QuantumATK 讨论了在 Cu2ZnSnS4 太阳能电池体系里材料界面处能带收窄导致的开路电压损失。文章由 Synopsys QuantumWise 公司和丹麦技术大学(DTU)的研究者共同完成。 Cu2ZnSnS4(CZTS)是很有前景的薄膜光电功能材料。由于其具有直接带隙,因此 CZTS 构成的器件可以比间接带隙的硅基器件更有效的吸收光。此外,CZTS 体系中只包含地球上丰度很高的元素,因此比诸如 CdTe 等体系更具有经济价值。 目前 CZTS 体系主要的问题是开路电压(OCV)很低,并且原因不明。目前主流的解释是 CZTS 与作为缓冲层的 CdS 之间的(大台阶状)能带对齐是主要的不利因素,然而,目前对最新的效率超过7%的CZTS器件的测量都表明能带对齐相当的合适(平坦)。 本论文从另外的角度来解释 OCV 损失。研究者使用 QuantumATK 计算了 CZTS 和 CdS 之间界面处的电子态(能带对齐)情况,并在界面处发现了一处很小的局域化的界面态。在进行器件级别模拟时,此界面态导致了显著的 OCV 衰减,本文给出的计算结果与文献中报道的目前 CZTS 光电池器件测量结果定量的吻合。本研究显示了器件级别模拟所需参数可以从原子级别的材料模拟结果中获得,将两个级别的模拟结合可以为未来薄膜光电池器件提供有力的工具。   QuantumATK 中提供: 便捷的材料界面建模工具,构建任意表面之间的界面模型; 使用双电极器件模型(device model)与 NEGF 方法直接计算能带对齐,避免 Slab 模型能级对齐的困扰。 参考文献 文章原文:A. Crovetto, M. Palsgaard, T. Gunst, […]