概述 聚合物材料建模与聚合物工程的热-力学和其他性质的模拟，与无机材料、有机小分子材料有很大的不同，一方面，聚合物分子巨大的分子量和链内巨大的自由度给原子级的建模和计算带来很大的困难；另一方面，聚合物体系有许多独特的热-力学特性，例如玻璃化转变、粘弹性和动态模量等等；聚合物链段与其他链段、小分子、表面、纳米粒子的相互作用也与其他有机物体系区别很大。 QuantumATK 提供了友好的工具支持构建各种聚合物模型，例如热塑性高分子，线性的均聚物、共聚物，聚合物熔体、嵌入小分子的聚合物、与纳米粒子、表面结合模型，等等。构建的聚合物模型可以直接使用软件提供的多种方法（基于Dreiding、OPLS-AA力场）进一步的平衡化，包括使用 force-capped-equilibration 作为初始平衡化方法、single-chain mean field（SCMF）方法、21步聚合物平衡化自动化流程工具，等等。平衡化后的聚合物可以用多种工具进行性质模拟，例如 NVE、NVT、NPT 系综的分子动力学（MD），用来模拟长时域动力学的 time-stamped force-bias Monte Carlo 方法，以及用于模拟热传导的非平衡态动量交换方法。 常用工具 自动化无定形聚合物模型建模工具 支持图形用户界面（GUI）和 Python 脚本的自动化工具 丰富的模拟方法 自动力场生成，支持 DREIDING OPLS-AA 电荷平衡化可以使用 Qeq 和 ReaxFF 电荷平衡化方法 参考链接： 聚合物建模教程 聚合物模拟相关的工具 应用 EUV光阻剂 热-力学性能 玻璃化转变，弹性，动态模量，粘度 热传导 聚合物相容性 研究聚合物在高形变、高剪切速率，高加热/冷却速率下的性能 模拟特定化学组分的聚合物体系 聚合物链段之间相互作用、聚合物链段与其他分子的相互作用 包裹在纳米粒子、表面周围的聚合物熔体 聚合物模拟的流程 蒙特卡洛方法聚合物链建模工具，Force-capped-equilibration，SCMF equilibration，聚合物体系热传导等都是与聚合物有关的新增方法。 可以模拟的聚合物体系 热塑性塑料 线性均聚物和共聚物 聚合物单链和熔体 控制立构规整度、单体比例和端基 与单分子、纳米粒子，表面复合模型 用户自定义单体结构 生成的模型可以立即用于进一步的平衡化和模拟 聚合物平衡化自动化流程工具 按照交替使用 […]

电阻RAM（ReRAM）是一种用于数据存储的新型非易失性存储器（NVM），与flash相比具有更低的编程电压和更快的读写速度[1]。ReRAM器件中的电阻开关，如OxRAM/CBRAM，取决于氧/金属离子在非晶态过渡金属氧化物如Ta2O5、HfO2和其它材料中的迁移，以形成原子粗细的导电细丝（低电阻状态、LRS或ON），或使其断裂（高电阻状态、HRS或OFF），如图1所示。 ReRAM单元设计中的一个关键挑战是电阻开关参数的可变性[1]。QuantumATK新一代材料与器件模拟平台提供了电阻开关的原子级别的理解方法，该方法支持为可靠的ReRAM器件筛选可用的材料。在本综述中，我们将重点介绍在QuantumATK平台[2]中研究类ReRAM系统中电阻开关的方法和工具： 氧/金属离子在非晶态材料中扩散的分子动力学模拟。 密度泛函理论（DFT）结合非平衡格林函数（NEGF）方法研究了LRS和HRS态的电子输运。 DFT模拟了氧空位和金属杂质形成细丝和外部金属掺杂的形成能和陷阱能级。 本综述基于六篇QuantumATK的论文，分别由 Western Digital, Micron, RWTH Aachen University (Prof. Rainer Waser), National Cheng Kung University (Po-An Chen), and University of Notre Dame (Prof. Suman Datta)发表。 要了解更多新一代材料与器件模拟平台的概况和使用方法，敬请关注《材料学计算模拟系列课程：QuantumATK材料与器件模拟平台使用入门（11月23-24日，西安）》 非晶态材料扩散的分子动力学模拟 由于OxRAM /CBRAM器件中的电阻开关依赖于非晶态过渡金属氧化物中氧/金属离子的迁移（图1），更好的理解离子在这些非晶材料中的扩散对于优化未来的ReRAM器件来说至关重要。QuantumATK提供了使用熔融-淬火经典分子动力学（MD）方法[3-5]来生成非晶态材料和在这些材料中进行离子扩散的后续研究方法[3,5]。根据Western Digital的说法，预测晶体材料中的扩散势垒是很简单的，通常使用Nudged Elastic Band（NEB）方法来完成。然而，在没有明确晶格位置的无序非晶材料中，已经不可能识别出穿过材料的特定低能量路径，因此需要采用其他分析方法来处理复杂的能量面形貌。Western Digital 的研究[3]采用MD模拟技术来监测非晶态Ta2O5中不同温度下单个原子的运动。根据10 ns长的MD模拟，在不同温度下测定了原子的均方位移随时间的演化，以评估离子自扩散的扩散系数和活化能，如图2和图3所示。精确计算得到的扩散系数和活化势垒是描述导电细丝形成和界面电子结构的解析和数值模型的关键输入信息。 Notre Dame University的研究[5]使用MD模拟来研究电场作用下CBRAM的演化。例如，图4说明了当电场作用于Co/HfO2/Pt器件时，Co细丝如何在HfO2电介质上形成导电桥，从而形成LRS/ON状态。量子力学中密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）方法的结合可以用来研究LRS和HRS态的电子输运。 用DFT-NEGF模拟电子输运 为了补充CBRAM演化与电场的MD研究，Notre Dame University的研究人员进行了DFT-NEGF模拟，以计算不同电场（偏压）值下的输运[5]。例如，图5所示的输运计算确认在电场接通时形成了导电桥。 同时，Micron在QuantumATK中使用DFT-NEGF方法研究了（CBRAM器件中存在的）金属单原子桥的长度、形貌和组成对电子输运和电导的影响[6]。这项研究表明，计算的电导随着长度的增加有一个较小的非单调变化，输运强烈地依赖于触点的形态（扁平或棱锥状，不对称）以及金属的类型，如图6所示。 有趣的是，National Cheng Kung University 的研究人员研究了MoS2 2D 材料作为非挥发性电阻开关应用的活性层[7]。DFT模拟表明Au+倾向于向硫空位移动，并可能形成导电桥。作者认为，费米能级附近态密度（DOS）的增加，如图7所示，随着金对硫取代率的增大，导致MoS2基的原子晶体管从HRS态向LRS态转变。 QuantumATK中的DFT-NEGF方法也用于研究另一个ReRAM操作机制，其依赖于图8所示的Nb:SrTiO3/SrTiO3/Pt型电阻开关系统中靠近电极界面的氧离子的集体运动。氧离子在电极界面附近的集体运动调制了界面肖特基势垒，由此产生了电阻的变化。通过研究不同电压下计算的LDOS以及在不同温度和偏压下获得的电流-电压（I-V）特性，作者认为有三种不同的传导范围，如图9所示。研究表明：1）在SrTiO3基电阻开关器件中，通过肖特基势垒进入电阻开关层导带的直接隧穿过程控制着器件的电导；2）在超薄（~2.8nm）器件中，从电极到电极的直接隧穿过程也很重要。因为它会影响电阻开关器件的高电阻状态的下限。     缺陷和掺杂模拟 OxRAM／CBRAM器件中的电阻开关是由非晶态过渡金属氧化物中氧空位缺陷/金属离子杂质的迁移控制的。Micron计算了非晶Hf0.75Si0.25O1.99中氧空位和非晶Al2O3中Cu杂质在不同电荷态带隙中陷阱能级，并建议根据对缺陷诱导禁带态的分布、相应的波函数和缺陷的空间分布的微观表征来定义电阻态。[6]。 同时，Western Digital 研究了如何使用掺杂剂来调整和改善氧化物用于ReRAM应用的电子特性〔4〕。研究了不同金属掺杂对晶体和非晶Ta2O5中氧空位形成的影响[4]。如图10所示，研究表明，p型掺杂剂（Al、Hf、Zr和Ti）可以降低形成能，从而降低形成/置位电压，并改善基于Ta2O5的ReRAM的保持性能。 QuantumATK有一个高效且用户友好的框架，用于研究宿主材料中掺杂/缺陷的特性，计算中性和带电缺陷以及各种类型缺陷（空位、替换、间隙、成对和较大团簇）的松弛缺陷/掺杂结构、形成能和陷阱能级。（要使用此功能请咨询我们） […]

引言 对于传输电信号或能量的界面来说，为了实现高效和稳定的传输，调控接触电阻一直是一个关键的问题。从宏观的多粗糙峰接触到原子尺度的弹道输运接触，接触电阻已经被证明了和“接触数量”，即真实接触面积有着密切的联系。另一方面，在很多情况下，例如对于二维电子器件中广泛存在的二维材料/金属界面或者二维材料/二维材料界面，接触电阻也与“接触质量”密切相关。经典Landauer公式或Richardson公式揭示了接触质量与界面的电子透射概率或界面势垒的性质的关系。然而目前仍然缺乏一个能够将接触质量与界面原子堆垛结构直接联系起来的实空间模型。 成果简介 清华大学研究人员与合作者采用导电原子力显微镜（c-AFM），密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）相结合的方法，研究了石墨烯/Ru界面的原子尺度电输运机理。在此基础之上，他们提出了描述二维界面的接触质量与原子堆垛结构之间的关系的理论模型（ACQ模型）。这个模型可以用来描述接触电阻的原子尺度空间调制现象以及双层石墨烯层间电阻的转角依赖性。该研究以“Modeling Atomic-Scale Electrical Contact Quality Across Two Dimensional Interfaces”为题，发表于Nano Letters. 研究人员利用ACQ模型，进一步探究了扭转双层石墨烯层间电导的空间调制，模型的计算结果与实验现象吻合。后续工作以“Understanding Interlayer Contact Conductance in Twisted Bilayer Graphene”为题，发表于Small。 利用原子分辨率的c-AFM测量石墨烯/Ru界面的局域电导 研究者们测量了Pt针尖/石墨烯/Ru基底组成的体系的电导在AFM针尖扫描范围内的空间分布（图（a））。观察到了局域电导的摩尔纹级别（图（b））和原子级别 （图（c））的空间调制。这种调制现象与先前研究中利用STM观察到的调制现象存在着非常显著的差异，难以直接通过石墨烯表面的LDOS分布来解释。 石墨烯/Ru界面电输运性质的计算和分析 研究者们通过DFT+NEGF的计算，将局域电导的空间调制归因于石墨烯/Ru界面不同位置的电子透射系数，即“接触质量”的差异。进一步的研究表明，透射系数由局域载流子浓度和电子输运路径上的静电势垒决定，其中静电势垒与原子间的距离密切相关。 电接触模型的构建及应用 研究者们通过DFT+NEGF计算并拟合出了“接触质量”随原子间距离的变化规律，并修正了载流子浓度的影响，提出了原子接触质量模型（ACQ模型），揭示了界面原子堆垛结构与界面电导之间的联系。ACQ模型成功地复现了实验中观察到的石墨烯/Ru体系局域电导的摩尔纹级别和原子级别的空间调制。 研究者进一步将ACQ模型应用于扭转双层石墨烯体系。ACQ模型计算出的双层石墨烯层间电阻的转角依赖性与实验结果一致。同时该模型可以综合考虑局域载流子浓度和层间静电势垒的空间分布对局域层间电导的影响，其计算出的Pt针尖/扭转双层石墨烯体系的局域电导分布与c-AFM的测量结果相吻合。 参考文献 Song Aisheng, et al. “Modelling atomic-scale electrical contact quality across two-dimensional interfaces.” Nano letters 19.6 (2019): 3654-3662. Yu Zhiwei, Song Aisheng, et al. “Understanding Interlayer […]