研究背景 光电能量转换是凝聚态物理学中一个至关重要的研究领域。由于电磁场中电场的交替性质，仅依赖线性效应无法在单一材料中产生直流电。为通过光激发在单一材料中诱导直流电，必须考虑非线性效应或高阶相互作用。例如，体光伏效应（PGE）是一种二阶扰动的非线性光电效应，能够在缺乏空间反演对称性的内在材料中诱导直流电流。PGE 探测器不但能够吸收能量低于半导体带隙的光子并产生远高于半导体带隙的开路电压，且光电流探测器不需要构建异质结，减少了生产成本和工艺复杂性。基于PGE制成的光电探测器被认为是下一代纳米光电设备的有前途的候选者。 铁电材料因其缺乏空间反演对称性和铁电可调性而成为先进光电流探测器的理想候选者。最近在二维范德瓦尔斯铁电类黑磷铋（BP-Bi）中实验性观察到了单元素铁电态，其铁电性的起源是由于 Bi 原子的非对称构型，这种构型是由晶格固有的非对称折叠引起的。与大多数具有大带隙的内在铁电材料相比，显示出其独特的性质。这些新颖和独特的特性使得BP-Bi成为极具研究价值的铁电材料。 研究内容 近日，湖北民族大学李强副教授、北京大学吕劲教授及方世博博士等，基于单元素二维铁电材料 BP-Bi 设计了一种光电探测器，利用 QuantumATK 进行了第一性原理计算。该材料的光电探测的光电流具有明显的各向异性（Armchair 方向的最大光电流能达 133 mA/W，而 Zigzag 方向的最大光电流仅为 4.7 mA/W）。 图1 （a）单层 BP-Bi 沿 armchair 方向的原子结构 （b）单层 BP-Bi 光电探测器沿 armchair 和 zigzag 方向光电响应随能量变化曲线 （c）单层 BP-Bi 光电探测器与其他单层材料的 p-n 结的最大光电响应对比图 结论 本研究展示了基于单元素二维铁电材料 BP-Bi 的光电探测器的设计与性能评估，强调了其在光电能量转换领域的重要性。通过第一性原理计算，我们发现 BP-Bi 的光电流效应具有显著的各向异性，尤其在Armchair 方向展现出高达 133 mA/W 的光电流，这表明其在光电探测应用中的巨大潜力。这一成果不仅为光电流探测器的开发提供了新思路，也为铁电材料在纳米光电设备中的应用奠定了基础。BP-Bi 的低带隙特性和优异的光电性能，使其成为未来光电探测器研究的有前景材料，预示着在光电能量转换领域可能的技术突破与应用前景。 参考文献 Photodetector Based on Elemental Ferroelectric Black Phosphorus-like […]

ϒ2-graphyne p-n结二极管器件的理论研究 由于ϒ2-石墨烯的可调带隙，人们预计这种结构是p-n结二极管器件的良好候选结构。从静电的角度模拟和研究了本征的、氢化的和氧化的ϒ2-石墨烯纳米带的电子性质。计算了不同电子和空穴掺杂量下的空间电荷区域宽、电场、电势以及电流密度。该研究还计算了各种不同晶胞大小下氢化和氧化的ϒ2-石墨烯纳米带分子器件的态密度、透射谱和电流电压图。（Physica B: Condensed Matter, 2024, 688: 416127. DOI:10.1016/j.physb.2024.416127） 第一性原理研究如何修复由沟道空位缺陷引起的WSeTe SBFET性能下降 利用基于密度泛函理论和非平衡格林函数的QuantumATK软件包预测了以1 T-WTe2为电极、Janus WSeTe为沟道的5.1 nm面内接触双栅WSeTe肖特基势垒场效应晶体管（SBFET）的性能。结果发现，5.1 nm WSeTe SBFET的性能符合ITRS（2013版）关于2028年生产年度高性能器件的预测参数，但源极附近通道的Te（Se）空位缺陷会降低其性能。进一步讨论了Te（Se）空位缺陷的O、Cl和N钝化对WSeTe SBFET性能的影响。结果表明，O钝化可以通过修复由Te（Se）空位缺陷引起的单层WSeTe的态密度变化来修复甚至提高WSeTe SBFET的性能。（Next Materials, 2024, 3: 100179.  DOI:10.1016/j.nxmate.2024.100179） 基于半经验DFT的新型GS-AGNR (N)场效应管电子和量子输运特性研究 本文研究了宽度(N)不同的扶手式石墨烯纳米带（AGNRs）的电子和量子输运特性。采用半经验（SE）密度泛函理论（DFT）方法计算了AGNR体构型的能带结构、态密度（DOS）和透射谱。此外，在沟道材料中，分析了具有栅极堆栈（GS）结构的场效应晶体管的性能。结果表明，AGNR（N = 4）的带隙值为1.98 eV且显示出优异的传输特性。此外，还分析了不同输入电压下的投影局部态密度（PLDOS）下和输运谱，以研究该器件的性能。上述参数为评价器件的共振峰和电子结构方面的性质提供了独特的思路。（IEEE Transactions on Nanotechnology, 2024.23.400-407，DOI:10.1109/TNANO.2024.3394547） 卤代硼烯MOSFETs的电子各向异性和量子输运的理论研究 二维（2D）各向异性半导体，如黑磷烯，在超尺度金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）中显示出强大的潜力，因为各向异性电子结构有利于在10纳米以下栅极长度范围下提高器件性能。类石墨烯金属硼烯可以卤化形成稳定的B4X4（X = F、Cl和Br）单层家族材料，其高度各向异性的半导体电子结构表明在超尺度MOSFET应用中具有潜力。在本研究计算探索了B4X4单分子层作为高性能（HP）5nmmMOSFETs的量子输运特性。n型5nm单分子层B4X4 MOSFETs的HP 开态电流在5nm栅极长度下可达到3000 μA/μm以上，从而满足HP器件的ITRS要求。值得注意的是，通过分析各向异性电子结构（输运有效质量m//和态密度mDOS）之间的物理关系，表明，较大的电子各向异性并不能保证高性能。一个过大的m//或mDOS会抑制饱和电流，导致有限的HP。（Physical Review Applied, 2024, 21(5): 054016，DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.054016）