电池与能源材料研究案例集(五)

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浓度驱动的磁相变对 VSe2 单层吸附和扩散的影响:对锂离子电池的启示 二硒化钒 $\mathrm{VSe}_2$ 单层是一种二维(2D)磁性材料,在室温下表现出铁磁有序性和卓越的金属离子存储能力,使其在自旋电子学和能量存储应用中有用。然而,二硒化钒的磁性和电化学性质之间的稳健相关性仍有待建立。在本研究中,进行了第一性原理密度泛函理论计算,以研究增加锂离子浓度对二硒化钒单层的磁性能,特别是磁性基态的影响。结果表明,随着二硒化钒单层表面Li离子浓度的增加,发生了磁性相变,导致从本征铁磁(FM)态转变为反铁磁(AFM)和非磁性基态。对铁磁和反铁磁二硒化钒单层的扩散特性的分析表明,与FM态相比,AFM态的Li离子扩散能垒显著增加(~71%)。这意味着 FM-$\mathrm{VSe}_2$ 比 AFM-$\mathrm{VSe}_2$ 促进相对更快的Li离子扩散。因此,锂离子浓度诱导的二硒化钒单层中的相变导致了可变的吸附和扩散特性,这将对其在锂离子电池负极中的应用具有重要意义。 Nair, A. K.; Silva, C. M. D.; Amon, C. H. Effect of Concentration-Driven Magnetic Phase Changes on Adsorption and Diffusion in VSe2 Monolayers: Implications for Lithium-Ion Batteries. Applied Physics Letters 2023, 123 (18), 183901. https://doi.org/10.1063/5.0174707 CrXY(X/Y=S,Se,Te)单层膜作为锂和钠离子电池高效负极材料的第一性原理研究 在过去的十年里,二维(2D)材料在储能领域引起了极大的兴趣。大规模电化学储能是基于金属离子在具有范德华间隙的层状材料中的嵌入。在这项工作中,通过第一性原理计算,作者探索了使用2D Janus过渡金属二硫族化合物(TMDs)CrSSe、CrSTe 和 CrSeTe 作为锂和钠离子电池的负极材料。使用密度泛函理论(DFT)计算来检验其电子性质和电化学性能。作者的研究表明,锂在短的扩散距离内易于扩散,并且更倾向于与单层有效结合。这些结构在其裸露相中是金属的。CrSSe、CrSTe 和 CrSeTe 显示的最高吸附能分别为−1.86 eV、−1.66 […]

磁性与自旋电子学应用(五)

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范德华多铁隧道结中面向存算一体的磁电协同控制多级导电态(Nanoscale 2024) 范德华多铁隧道结有望实现小型化、高密度和非易失性存储,在下一代数据存储和存算一体器件中具有巨大应用潜力。福州大学材料科学与工程学院萨百晟课题组联合北京航空航天大学和华中科技大学,采用结合密度泛函理论与非平衡格林函数结合的计算方法,模拟了由铁磁半金属材料  作为自旋过滤势垒,金属材料  作为电极,铁电材料  作为隧道势垒组成的范德华多铁隧道结器件的自旋输运性质。器件采用双层  作为隧道势垒时可以同时实现显著的隧道磁阻和隧道电阻效应,在非零偏压下,最大隧道磁阻和电阻比率分别可达6237%和1771%。进一步发现在该多铁隧道结内存在四种可区分的电导状态,即仅需一个多铁隧道结单元就可实现四态非易失性数据存储。且通过等效的磁、电开关可以分别控制器件电流的通断和大小,通过搭建多铁隧道结阵列可同时实现逻辑计算和多级数据存储。这些研究结果揭示了该隧道结在存算一体以及多级数据存储器件中的潜在应用。 Cui, Z.; Sa, B.; Xue, K.-H.; Zhang, Y.; Xiong, R.; Wen, C.; Miao, X.; Sun, Z. Magnetic-Ferroelectric Synergic Control of Multilevel Conducting States in van Der Waals Multiferroic Tunnel Junctions towards in-Memory Computing. Nanoscale 2024, 16 (3), 1331–1344. https://doi.org/10.1039/D3NR04712A. 详细介绍:https://www.fermitech.com.cn/quantumatk/highlight-nanoscale-cui2024/ 二维CoI2/MnBr2异质结构中的双极磁半导体和掺杂可控自旋输运特性 二维异质结构材料的集成仍然是在实际应用中操纵自旋电子学的基本方法。作者利用密度泛函理论预测了条形反铁磁(AFM)单层 $\mathrm{CoI}_2$ 和 $\mathrm{MnBr}_2$ 结构向层内铁磁有序的层间AFM $\mathrm{CoI}_2$/$\mathrm{MnBr}_2$ 异质结构的转变。有趣的是,$\mathrm{CoI}_2$/$\mathrm{MnBr}_2$ […]

PT对称型反铁磁中光激发的奈尔自旋流

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背景简介 近些年来,针对反铁磁中新奇物理和应用的研究逐渐成为凝聚态物理的研究热点。相对于铁磁体,反铁磁具备包括超快的太赫兹(THz)自旋动力学、对外部磁场扰动的强大稳健性以及不存在杂散磁场等优越的性质,这使得反铁磁体在下一代高度集成和超快记忆设备中具有很高的前景。与铁磁存储器件不同,反铁磁(AFM)存储器件的功能依赖于奈尔矢量($M_{\mathrm{Néel}}$)的操纵,它被定义为$M_{Néel}=M_{1}-M_{2}$,其中$M_{1}$, $M_{2}$分别代表磁子晶格的磁矩。由于反铁磁本身不显示整体磁性,因此奈尔磁矩很难被传统方法如外加磁场或者施加自旋极化电流所转换。针对此问题,中国科学院固体物理所邵定夫课题组最先提出了奈尔自旋流的概念[Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023)]。他们提出在满足特定结构条件的PT-对称的反铁磁系统中可以通过施加偏压形成一股分布在不同磁子晶格的交错自旋流,他们命名为奈尔自旋流。这种奈尔自旋流可以扭转奈尔磁矩。 研究内容 近日,吕劲课题组博士生方世博等人提出在PT-对称的反铁磁系统,通过光激发的方式同样可以产生奈尔自旋流。并且和线性响应的电激发的奈尔自旋流不同,光激发奈尔自旋流是一种非线性效应,其产生的奈尔自旋流形式也远远复杂的多。具体表现为光激发的奈尔自旋流会表现为两种形式,一种是不同磁子晶格的交错自旋流,另一种是不同子晶格中的反平行自旋流, 他们的区别在于自旋体光伏效应的PT对称性。前者可以扭转奈尔磁矩,后者可以将反铁磁转化为铁磁。而这两种机理的产生机制也是不同的,前者对应于自旋体光伏效应中的线偏注入电流和圆偏位移电流,后者对应自旋体光伏效应中的线偏位移电流和圆偏注入电流。 结合理论分析,文中也以双层反铁磁 $\mathrm{CrSBr}$ 和 $\mathrm{CrI}_\mathrm{3}$ 为例分别计算了这两种体系中的光激发奈尔自旋流。输运计算使用了 QuantumATK 中第一性原理结合量子输运的模块,该模块可以计算在一阶波恩近似的精度下,体系在光照后产生的光电流以及其自旋分量。同时,此项研究也表征了双层反铁磁 $\mathrm{CrSBr}$ 中电激发的奈尔自旋流和其产生的分层的自旋转移矩。 该工作以“Light-Assisted Néel Spin Currents in PT-symmetric Antiferromagnetic Semiconductors“ 发表在Physical Reviews B。 图1。a,奈尔自旋流的示意图。b, 电激发奈尔自旋流。c, 光激发反平行自旋流。d, 光激发交错自旋流。 图2。双层反铁磁 $\mathrm{CrSBr}$ 中的光激发奈尔自旋流,此时由于镜面对称性系统只保留了PT-odd的成分。此时可以看到不同自旋极化的电流是在空间上分层的,并且不同层的自旋极化电流是自旋相反并且反向移动的。 图3。双层反铁磁 $\mathrm{CrI}_\mathrm{3}$ 中的光激发奈尔自旋流,此时由于镜面对称性被打破,因此奈尔自旋流同时保留了PT-odd和PT-even的成分。此时可以看到光激发奈尔自旋流同时包括了在不同层沿着相反方向和相同方向移动的自旋极化电流。 总结 在这项工作中,作者提出可以通过光激发的方式也能在 PT 系统中产生奈尔自旋流。这种光激发的 Néel 自旋电流包括沿不同磁亚晶格分布的交错或反平行自旋电流,取决于其相应自旋光电极系数的 PT 对称性。在半导体中光激发的 Néel 自旋电流多样表现的起因在于 spin photogalvanic 效应本身是非线性的,因此其对应的自旋极化电流不一定是PT-偶的。以 和 $\mathrm{CrI}_\mathrm{3}$ 为例,作者使用QuantumATK 软件中的第一性原理计算结合量子输运方法验证了上述理论。此工作工作提出了可以利用光电相互作用实现反铁磁存储器的写入功能。 参考 […]

恭贺新春

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费米科技向全国的用户提前拜个早年,恭祝大家新春愉快、万事吉祥! 我们将于2024年2月8日开始放假,2月18日正式新年开工,感谢大家一如既往的支持! 费米科技

甲烷自由基对石墨烯愈合的原子水平机制(FlatChem 2023)

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简介 作者综合使用 QuantumATK 中多种材料学计算模拟方法预测了使用甲烷基等离子体自由基碎片CHx(x=1-3)修复石墨烯空位缺陷的可能性。这些碎片在空位缺陷的边缘处具有更高的定位吸附活性。当温度升高时,自由基中的碳原子替代了缺陷处缺失的碳原子,使石墨烯网络恢复到其完美的六边形结构。等离子体自由基碎片也被发现是修复Stone Wales缺陷的有效催化剂。作者使用NEB过渡态搜索方法研究了所考虑的等离子体自由基的愈合机理。所获得的结果可以帮助理解缺陷石墨烯的等离子体辅助修复机制。 吸附热力学 使用密度泛函理论(DFT)和反应性力场(ReaxFF)分别计算多种单碳分子片段在原始石墨烯和空位缺陷石墨烯上的吸附能。结果表明DFT和ReaxFF给出的能量趋势一致,并且物理吸附的CH4具有最小的吸附能。 图。使用DFT(实心黑圈)和ReaxFF力场(空心红圈)计算,甲烷(CH4)分子及其等离子体自由基(CHx(x=1-3))在原始(a)和单空位(b)石墨烯上的吸附能。(b)中的缺陷区域用淡粉色圆圈突出显示。 NEB过渡态搜索 NEB模拟从吸附结构到修复结构的反应路径,中间可能有多个过渡态和中间结构。由此可以大致确定克服反应能垒所需的活化能。 分子动力学模拟 图。在无缺陷石墨烯上吸附的CH(a)、CH2(b)和CH3(c)自由基的体系能量随时间(底轴)和温度(顶轴)的变化。插图显示了能量曲线上所示时间间隔的结构。 图。当自由基(CH(a)、CH2(b)和CH3(c))吸附在单个空位缺陷附近时,能量随时间(底轴)和温度(顶轴)的变化。插图显示了石墨烯愈合之前(插图1)和之后(插图2和3)的系统瞬时结构。 参考 Khalilov, U, et al. Atomic Level Mechanisms of Graphene Healing by Methane-Based Plasma Radicals. FlatChem 2023, 39, 100506. https://doi.org/10.1016/j.flatc.2023.100506

新型二维材料 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 亚5纳米门长晶体管的性能极限(Phys. Rev. Appl. 2023)

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简介 构建互补金属氧化物半导体(CMOS)器件需要 n 型和 p 型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)。但在超短栅长情况下寻找一种 n 型掺杂和 p 型掺杂同时满足国际半导体技术路线图(ITRS)标准的沟道材料仍然是一个挑战。最近合成的二维晶体 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 具有较高的空穴和电子载流子迁移率,为这一问题提供了可能的解决方案 [Science, 2020, 369 (6504), 670-674]。北京大学物理学院吕劲课题组使用第一性原理密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法,探讨了双栅单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ MOSFETs 在亚 5 nm 栅长下的性能极限 [Phys. Rev. Appl., 2023, 20 (6), 064044]。这项研究显示,n型和p型双栅单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ MOSFETs 可将满足ITRS高性能(HP)标准的门长尺寸缩短为 3 nm,开态电流高度对称。在功耗延迟积(PDP)与延迟时间($\tau$)的多目标优化 Pareto 边界分析中,n 型单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 晶体管处于典型二维材料中最优平衡的 Pareto 边界上。显示了单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 作为下一代 CMOS 器件沟道材料的潜力。考虑温度和无序的影响,模拟结果仍然适用。该项工作于今年12月发表在 Physical Review Applied 上,北京大学物理学院博士生黎颖为第一作者,北京大学物理学院吕劲研究员和洛阳师范学院化学化工学院副教授、哈佛大学 John A. Paulson 工程与应用科学学院访问学者孙晓甜为共同通讯作者。 研究内容 本研究通过掺杂浓度和欠叠层结构对亚 5 nm […]

范德华多铁隧道结中面向存算一体的磁电协同控制多级导电态(Nanoscale 2024)

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研究简介 范德华多铁隧道结有望实现小型化、高密度和非易失性存储,在下一代数据存储和存算一体器件中具有巨大应用潜力。福州大学材料科学与工程学院萨百晟课题组联合北京航空航天大学和华中科技大学,采用结合密度泛函理论与非平衡格林函数结合的计算方法,模拟了由铁磁半金属材料 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ 作为自旋过滤势垒,金属材料 $\mathrm{Ti}\mathrm{Te}_2$ 作为电极,铁电材料 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒组成的范德华多铁隧道结器件的自旋输运性质。器件采用双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒时可以同时实现显著的隧道磁阻和隧道电阻效应,在非零偏压下,最大隧道磁阻和电阻比率分别可达6237%和1771%。进一步发现在该多铁隧道结内存在四种可区分的电导状态,即仅需一个多铁隧道结单元就可实现四态非易失性数据存储。且通过等效的磁、电开关可以分别控制器件电流的通断和大小,通过搭建多铁隧道结阵列可同时实现逻辑计算和多级数据存储。这些研究结果揭示了该隧道结在存算一体以及多级数据存储器件中的潜在应用。福州大学材料科学与工程学院博士研究生崔舟为第一作者。该研究得到了国家重点研发计划与国家自然科学基金的资助支持。 研究内容 利用QuantumATK软件,以单层铁电材料 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为势垒层,具有金属性质的 $\mathrm{Ti}\mathrm{Te}_2$ 作为电极材料,搭建了如图1所示的器件模型,图1(a)和(b)中显示了 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 的两种不同极化方向的情况,在考虑铁磁层磁矩的方向后,单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件理论上可以实现四种导电状态。图1(c-f),进一步计算了器件不同状态下的透射系数曲线和费米面处的透射谱,并且统计了各种状态下的费米面出的隧穿磁阻率和隧穿电阻率。对于单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件最大可以实现448%隧穿磁阻率,但是其最大的隧穿电阻率仅有30%。 图1 单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在(a)FE-R-1IS和(b)FE-L-1IS状态下的结构示意图。(c)FE-R-1IS和(d)FE-L-1IS状态下多铁隧道结自旋分辨的零偏压透射系数曲线。(e)FE-R-1IS和(f)FE-L-1IS态下多铁隧道结自旋分辨的透射谱。 将单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 势垒层替换为双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 后,如图 2 所示,不同状态下的透射系数曲线和费米面处的透射谱具有更明显的差异。对于双层$\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件可以实现最大的隧穿磁阻率为5698%,最大隧穿电阻率为1771%。从费米能级处的透射谱可以得知,高的隧穿磁阻率和隧穿电阻率主要是由于平行磁阻态下的自旋向上电子的透射能力具有显著差异。 图2 双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在(a)AFE-T-2IS,(b)AFE-H-2IS,(c)FE-R-2IS和(d)FE-L-2IS状态下的结构示意图。(e)AFE-T-2IS,(f)AFE-H-2IS,(g)FE-R-2IS和(h)FE-L-2IS态下多铁隧道结自旋分辨的零偏压透射系数曲线。(i)AFE-T-2IS,(j)AFE-H-2IS,(k)FE-R-2IS和(l)FE-L-2IS态下多铁隧道结自旋分辨的透射谱。 为了进一步探究这种差异的原因,计算了双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在各种状态下 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ 和 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 层的态密度。从图3中可知,由于受到 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ 铁磁层的影响,$\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 层在费米面处产生了新的态密度,这是造成器件导电能力不同的主要原因。最后本文阐述了器件可能应用的方向。双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件的八个导电状态可以简并为如图4(a)所示的四种可显著分辨的导电状态,仅用两个隧道结单元就可以实现十六种存储状态,用于多态存储,如图4(b)所示。另外,可以将一个隧道结单元等效成为一个磁电开关,用磁场开关控制电路的通断,电场开关控制电流的大小,如图4(c)所示。将多个隧道结单元排列成如图4(d)所示的 N×N 阵列,在输入端加一系列电压,根据基尔霍夫定律和欧姆定律,在输出端可以得到一系列电流,从而完成一次乘法累加运算。由于每个多铁隧道结本身具有数据存储的能力,这样就可以将“存”和“算”集成在同一器件单元上,实现存算一体。 图3 双层 $\mathrm{In}2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在(a)AFE-T-2IS,(b)AFE-H-2IS,(c)FE-R-2IS和(d)FE-L-2IS状态下各个 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ […]

铁电调控的双向光响应器件:基于Van der Waals α-In2Se3/NbX2(X = S, Se和Te)铁电二极管

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简介 双向光电探测器是指在外部刺激下,其光电流可以在不同方向之间切换的设备。在神经形态视觉系统中,单个双向光电探测器可以分别表示兴奋和抑制行为中的正负权重,从而大大减少了人工神经网络中的硬件数量。现有的可调双向光电检测主要依赖于二维材料中的门控带对齐和金属与半导体复合系统中的光热效应。然而,门控工程的要求必然消耗额外的功率,并且光热效应的响应时间过长。 铁电二极管是一种特殊的二极管,其整流方向可以通过极化反转进行切换。基于铁电氧化物的传统体积型Fe二极管可以通过轻松切换其电极化方向来产生非易失的对称双向光响应。这种切换过程具有超快的动力学响应(<1纳秒)和高度可控性,无需持续的电压供应。切换机制源于由极化引起的表面电荷调制的肖特基势垒的高度(SBHs)和内建电场。然而,现有的铁电二极管还主要是基于传统的铁电氧化物材料,在实际应用中存在着较为严重的界面缺陷。 研究内容 利用QuantumATK软件,作者首次使用第一性原理结合量子输运的方法模拟了二维范德瓦尔斯型α-In2Se3/NbX2 (X = S,Se和Te) 铁电二极管的电学传输和光电输运性质。作者通过计算器件的局域器件态密度发现,可以通过调控α-In2Se3的铁电极化方向使器件从一个p-i结转化为一个n-i结,因此其整流方向就会发生转变,从而实现非易失性存储功能和双向光响应效应。作者的工作揭示了vdW Fe二极管在未来计算-传感器架构中具有巨大潜力。 图1. α-In2Se3/NbX2(X=S、Se和Te)铁电二极管中(a)向上极化和(b)向下极化态双向光电流的基本原理 图2. α-In2Se3/NbS2-Fe二极管的局域器件态密度(a)P向上和(b)P向下。子图(c)和(e)与(a)相同,但X分别为Se和Te。子图(d)和(f)与(b)相同,但X分别为Se和Te。每个子图中的两条水平白色虚线之间的距离表示铁电能带偏移(EFE)。中心区域和电极区域由垂直的白色虚线分隔开。 图3. (a) vdW α-In2Se3/NbS2铁电可开关二极管在不同铁电极化和沿y轴以偏振角θ入射的线偏振光下的光响应。子图(b)和(c)与(a)相同,但分别用于NbSe2和NbTe2。子图(d)与(a)相同,但对于沿着z轴入射的具有偏振角Φ的线偏振光。子图(e)和(f)与(d)相同,但分别用于NbSe2和NbTe2。 参考 Fang, S.; et al. Phys. Rev. Mater. 2023, 7 (8), 084412. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.7.084412.

QuantumATK V-2023.12 新版发布

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QuantumATK新版(V-2023.12)已于近日发布。新版在机器学习力场、密度泛函理论方法等有重要更新;新增了多体GW方法计算工具,用于精确电子态计算;进一步改进了材料加工过程模拟,并对图形用户界面进行了大量更新和增强。 更多QuantumATK的平台功能一般介绍参见: QuantumATK功能列表 在维护期的活跃用户可以在官方网站下载获取最新的安装包。欢迎新老用户试用最新版: 获取和试用QuantumATK 机器学习力场 使用GPU加速MTP力场训练改进图形界面用于MTP主动学习、质量验证,以及使用训练得到的MTP力场进行实际计算实现了通用图深度学习的原子间势M3GNET,用于全元素周期表 密度泛函理论DFT+U 实现了自动的第一原理自洽计算U参数,可以用于精确描述过渡金属氧化物以及一般的金属体系等强关联体系的电子态 多体GW方法 采用LCAO原子基组实现了GW方法,用于三维周期体系和界面等最高精度的能带和态密度计算,计算量中等,可以用于上百原子的体系 器件模拟 改进多层堆叠和纳米器件的局域器件态密度和差别电子密度的精度(使用半经验量子力学方法时) 加工过程模拟 改进并增强了NEB过渡态计算反应路径和势垒的易用性、灵活性等;Steered MD模拟结晶速度明显改进可以在表面处理过程模拟workflow builder中设置MD hooks(关联于固定流程的代码段) NanoLab GUI Projected DOS分析工具增强Job Manager现在可以更好的管理和停止大量作业很多其他的小改进 更多更新的细节请参见新版发布说明。新版软件和发布说明请在官方网站下载。 厂商产品发布页面:https://www.synopsys.com/manufacturing/quantumatk/resources/release-notes.html

界面设计对磷烯-四硫富瓦烯纳米器件热电传输性质的影响

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简介 近年来,低维纳米器件,特别是单分子器件,因其高导电率、低导热率而在热电研究领域受到了广泛的关注。其中,电极-分子界面的设计对单分子器件的热电转换特性起着至关重要的作用。界面设计和能带工程是提高低维纳米器件热电转换效率的两个关键策略。通过基于第一原理的密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,研究了单个四硫富瓦烯(TTF)分子与扶手椅磷烯纳米带(APNRs)在不同界面模式下的热电性能。结果表明,由于强界面声子散射行为,声子传输在居间弱耦合系统中被显著抑制。此外,通过在居间TTF分子的头尾连接噻吩基团可以得到显著增强的热电优值(ZT)。与单一常规方法相比,复合界面协同设计可以实现更精确的热/电传输性能控制。在保持低声子热导的同时,可以有效提高电导,在0.6eV附近获得了0.73的ZT值。 图. 不同耦合情况下磷烯-TTF纳米器件结构示意图 研究内容 此项研究选取具有较高的载流子迁移率和中等带隙的磷烯纳米带为电极,具有优异的共轭性和高电导性的TTF分子为中心分子,研究了不同耦合下磷烯-TTF分子结的热电性能。然而,关于TTF分子结的热电性质和界面设计对分子结的热电性质的影响的微观机制仍然缺乏。本研究系统地比较了在强耦合和居间弱耦合界面模式下TTF分子结的热电输运特性差异的内在机制。密度泛函理论计算结果表明,由于强界面声子散射行为,声子传输在居间弱耦合系统中被显著抑制,只有极少数声子可以通过两个非键合界面区域从左侧引线传播到TTF分子,然后再传播到右侧引线。同时,居间若耦合系统的电子输运能力得到显著提高,这是由于TTF分子具有良好的平面外电子输运能力。此外,基于面外电子传输机制,在居间TTF分子的头尾连接噻吩基团(THTTF)可以显著提高弱耦合体系的S2σ,并且存在从S原子到上下APNRs的明显电荷转移。加入噻吩基团后,在费米能级两侧THTTF的投影态密度(PDOS)较TTF明显增加。结果表明,与TTF相比,加入噻吩基团后的THTTF更有利于高电导,PDOS结果加强了噻吩基团的有益作用。同时,居间弱耦合结构这一特性能够保证声子传输保持在一个较低的水平。 图.(a-b)传输路径(c)TTF分子的结构示意图以及每个原子的自然轨道所占据的电子数 图. (a-b)电子态密度(c)投影态密度 图.加噻吩基团前后居间弱耦合结构的电导、塞贝克系数、功率因子和热电优值 总结 此项研究利用QuantumATK软件,基于第一原理的密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,研究了单个TTF分子与APNR电极在强耦合和居间弱耦合方式下的热电输运特性。并设计了一种在居间弱耦合结构下加入官能团来调节体系ZT的复合调控方法。结果表明,界面协同设计可以有效地调节分子器件的热电输运特性。 参考 Qiu, Y.; Zhang, B. Interface design of the thermoelectric transport properties of phosphorene–tetrathiafulvalene nanoscale devices. Phys. Chem. Chem. Phys., 2023. https://doi.org/10.1039/D3CP03120A

 
  • 通过计算机模拟试验研究新型个性化3D打印胫骨高位截肢器械的安全性概述 治疗早期膝骨关节炎的其中一种方法是胫骨高位截骨术(HTO)。然而,HTO 具有挑战性且可能引起并发症。在本研究中,通过使用 Simpleware 软件创建 28 名患者的虚拟模型开发了一种新的个性化 HTO 器械,采用计算机模拟试验与标准治疗比较,验证的骨科器械的安全性。 结果表明,该个性化器械与标准器械具有一致的安全性,已申请在英国获得 MHRA 批准,应用于正在进行的临床试验,增加 HTO 作为治疗选择的使用。 亮点 为比较个性化 3D [...]
  • LaFe(11.5-x)MnxSi1.5 化合物中 Mn 掺杂引起磁变化的起源(SCRIPTA MATER 2024)传统的气体压缩式制冷技术由于能耗大、效率低、环境不友好等问题急需进行变革,而磁制冷技术作为一种基于磁热效应的新型固态制冷技术,有望解决传统制冷技术面临的一系列问题。近年来,La(Fe Si)13金属间化合物(结构如图1)由于其在一阶相变过程中的巨磁热效应,成为最有前途的室温磁制冷材料之一。然而,一阶相变伴随的热滞和磁滞会导致制冷效率的降低。因此,科研人员致力于通过掺杂来解决这一问题。
  • 电池与能源材料研究案例集(五)浓度驱动的磁相变对 VSe2 单层吸附和扩散的影响:对锂离子电池的启示 二硒化钒 $\mathrm{VSe}_2$ 单层是一种二维(2D)磁性材料,在室温下表现出铁磁有序性和卓越的金属离子存储能力,使其在自旋电子学和能量存储应用中有用。然而,二硒化钒的磁性和电化学性质之间的稳健相关性仍有待建立。在本研究中,进行了第一性原理密度泛函理论计算,以研究增加锂离子浓度对二硒化钒单层的磁性能,特别是磁性基态的影响。结果表明,随着二硒化钒单层表面Li离子浓度的增加,发生了磁性相变,导致从本征铁磁(FM)态转变为反铁磁(AFM)和非磁性基态。对铁磁和反铁磁二硒化钒单层的扩散特性的分析表明,与FM态相比,AFM态的Li离子扩散能垒显著增加(~71%)。这意味着 FM-$\mathrm{VSe}_2$ 比 AFM-$\mathrm{VSe}_2$ 促进相对更快的Li离子扩散。因此,锂离子浓度诱导的二硒化钒单层中的相变导致了可变的吸附和扩散特性,这将对其在锂离子电池负极中的应用具有重要意义。 [...]
  • 润湿性和初始金属成分对熔融金属渗透碳质耐火材料过程的影响概述 钢铁产量中近 70% 来自采用高炉(BF)工艺生产的生铁,因此钢的成本很大程度上取决于 BF 的寿命。由于耐火材料的劣化,BF 的寿命有限,特别是聚集着液态金属的高炉炉膛中使用的耐火材料。设计更具有适应性的新型耐火材料需要全面了解工作过程中发生的劣化机制,而各种机制都取决于耐火材料的孔隙结构,并受到多孔介质中传输的限制。 本项目基于 X 射线计算机断层扫描(XCT)获得 [...]
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