低维半导体材料与电子器件摘要合集（二）

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第一性原理量子输运模拟亚5nm单层锗烷晶体管的性能限制 二维锗由于其较低的有效质量和较大的电子—空穴迁移率，被认为是一种有前途的取代硅的新型沟道材料。本文研究了栅极长度(Lg)小于5 nm的单层锗烯晶体管的输运特性。结果发现，Lg为3 nm和5 nm的n型锗烯晶体管符合国际半导体技术路线图(ITRS)对高性能(HP)器件的开态电流(Ion)、有效延迟时间和功率时延迟乘积的要求。值得注意的是，通过引入负电容(NC)介电层，Lg为5 nm的p型锗烯晶体管几乎能够满足HP器件的ITRS要求。尽管通过加入NC介电层将栅极长度减小到2nm，但n型和p型的开态电流仍然满足大约80%的ITRS标准。因此，单层锗烯作为沟道材料在亚5nm尺度下的HP应用具有很大的潜力。(Journal of Applied Physics, 2024, 135(13). DOI:10.1063/5.0192389) 第一性原理研究应变调节MS2/硼烯和MSeS/硼烯(M = Cr, Mo, W)异质结构的电子性质、界面接触和输运性质 控制界面接触性能以形成低阻欧姆接触对设计低功耗二维器件具有重要意义。本文利用密度泛函理论(DFT)结合非平衡格林函数(NEGF)方法，研究了具有狄拉克锥的二维半金属硼烯与MS2、MSeS/硼烯(M = Cr, Mo, W)的不同接触类型。结果表明，在无应变的情况下，不同的范德华异质结(vdWHs)表现为n型(p型)Schottky接触类型，其中CrS2/硼烯vdWHs具有较低的势垒高度(Φn = 0.08 eV)。其次，我们发现面内应变比垂直应变更有效。在面内应变调制下，随着拉伸应变的增大，接触类型由肖特基接触转变为欧姆接触。同样，随着压缩应变的增加，接触类型也会从肖特基型转变为半导体型。在垂直应变的影响下，只有当层间距增加到0.4Å以上时，CrS2/硼烯vdWHs才转变为欧姆接触。最后，还研究了基于器件角度的欧姆接触形成和输运特性。这些发现表明，界面接触类型可以通过应变有效地调节，这对于设计和制造由硼烯基vdWHs组成的新型纳米电子器件至关重要。(Applied Surface Science, 2024, 652: 159363. DOI:10.1016/j.apsusc.2024.159363) 第一性原理研究biphenylene, net-graphene, graphene+, and T-graphene的电子性质 自石墨烯分离成功以来，碳材料以其优异的物理化学性能吸引了大量研究者的兴趣。本文将密度泛函理论与非平衡格林函数相结合，系统地研究了biphenylene、net-graphene、 graphene+和T-graphene的电子结构。结果表明，四者均表现出金属性质，其中biphenylene和net-graphene表现出各向异性，而graphene+和T-graphene表现出各向同性。此外，还系统地研究了基于net-graphene纳米带的纳米器件在扶手椅形和锯齿形方向上的电子输运特性，发现在扶手椅形和锯齿形方向上存在显著的负微分电阻特性，表明net-graphene纳米器件在未来的电子纳米器件中具有良好的实际应用前景。（RSC advances, 2024, 14(12): 8067-8074. DOI: 10.1039/D4RA00806E） DFT研究单层Si9C15的纳米电子学和光催化应用以改善其电子输运和光学性质 二维碳化硅材料因其与当前硅基技术的兼容性而脱颖而出，在纳米电子学和光催化方面具有独特的优势。在本研究中，我们采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法研究了实验合成的单层Si9C15的电子性质、输运特性和光电性质。发现Si9C15在a方向上的电子迁移率(706.42 cm2V -1s -1)与空穴(432.84cm2V -1s -1)相比具有显著的方向各向异性。电输运计算表明，具有3nm沟道长度的构型在偏压下显示开态，峰值电流达到150 nA。此外，该最大电流值在拉伸应变下升级到200 nA，与5nm通道相比增加了约100倍，5nm通道仍处于关闭状态。Si9C15具有较高的光吸收系数(~105cm-1)且满足pH 0-7下水分裂的能带边缘位置。施加1 ~ […]

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低维半导体材料与电子器件摘要合集（一）

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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）

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QuantumATK W-2024.09新版发布

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QuantumATK W-2024.09 新版中，GW 方法得到了大大的改进，不仅拓展了应用的模型范围，还对内存消耗进行了优化，可以计算数百原子的体系；机器学习力场在训练、验证、主动学习等环节和模拟流程上有明显改进，并支持直接使用 M3GNET 和 MACE-MP 势。新增多种动力学方法，包括在给定温度和压力下对体系进行自由能优化，研究固液、固固相平衡，合金中组分与化学势的关系，分析Gruneneisen系数与相关的热性质，以及表面反应的气体分解模块等。半导体点缺陷分析现在支持界面体系，以及单个缺陷的PDOS分析。图形界面也有众多的打磨和改进。 GW多体方法 GW 可以考虑准粒子激发计算得到最高精度的能带，常用于作为其他方法的参考和校准。QuantumATK 中的 G0W0 方法，可以在相对较小的计算成本下计算较大体系，此版本显著更新了 GW 方法。 GW 方法应用体系从半导体、绝缘体块材，扩展到分子、二维体系、三维金属以及与金属的界面等 GW 现在可以进行自旋极化、非共线自旋和非共线自旋轨道耦合计算 计算性能显著改进，内存需求减少至之前的十分之一，因此可以计算数百原子；并行策略大大改善 十八种半导体和绝缘体的能带计算，GW 带隙具有显著的最高精度。 G0W0 方法计算 Si/SiO2/Si 界面（156 原子）的能带排列。使用 14MPI（每 MPI 20 线程）计算时，156 原子耗时 27 小时，78 原子耗时 4.5 小时。 DFT和半经验量子力学方法 新增 LocalTB09 MetaGGA 泛函自动计算与材料等相关的 c 参数与 HSE06 带隙精度大体一致，但是计算成本更低 可用于块体、界面的能带、态密度等或NEGF电子输运计算 新的自动加 U 方法 新增一种自动确定加 U 的方法 其他更新OMX […]

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卤化硼烯 MOSFETs 的电子各向异性和量子输运

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背景简介 由于硅固有的物理限制，将硅基金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）持续缩小到 10 纳米栅极长度以下是非常具有挑战性的。而具有各向异性电子结构的二维半导体往往表现出相当高的导通状态电流，因此在纳米电子器件中具有很好的应用前景，但寻找稳定的、各向异性的二维半导体仍然是一个充满挑战性的研究。 研究内容 FIG. 1.单层 B4X4 的 (a) 原子结构、(b)3c-2e 键和 2c-2e 键、(c) 布里渊区、(d)-(f) 能带结构和投影态密度（PDOS）。 本文选取各向异性二维卤化硼烯 B4X4 (X = F, Cl, and Br) 家族材料为例，在这项工作中，计算研究了基于具有各向异性电子结构的单层 B4X4 的 5 nm 栅长 n 和 p 型高性能（HP）MOSFETs 的输运特性。单层 B4F4、B4Cl4 和 B4Br4 的带隙分别为 0.70、1.39 和 1.19 eV。通过应变工程可以扩大单层 B4F4 的小带隙，从而有效地将关态电流抑制在 0.1μA/μm 以下，同时将开态电流提高到 3140μA/μm。值得注意的是，研究表明过大的输运有效质量 m// 和态密度有效质量 mDOS 会导致载流子注入速度降低和饱和电流减小，从而严重限制了导通状态电流。因此在设计 2D 半导体 MOSFET […]

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二维范德华异质结构中自旋轨道扭矩的第一性原理模拟和材料筛选

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简介 二维范德华（2D vdW）材料中自旋轨道扭矩（SOT）技术的最新进展不仅将自旋电子器件推向了原子极限，还揭示了非传统扭矩和新型自旋转换机制。在众多2D vdW 材料中观察到的SOT的巨大多样性需要一种筛选策略来确定扭矩器件性能的最佳材料。为了解决这一关键问题，采用密度泛函理论和非平衡格林函数的结合来计算各种二维vdW双层异质结构中的 SOT，发现了三种高 SOT 体系：WTe2/CrSe2、MoTe2/VS2 和 NbSe2/CrSe2。此外，提出了一种允许快速有效地估计SOT的品质因数的方法，从而能够高通量筛选未来SOT应用的最佳材料和器件。 背景 自旋轨道扭矩（SOT）是一种新兴的自旋电子技术，能够通过电流有效地操纵磁化，它激发了各种有前景的应用，包括基于 SOT 的磁阻随机存取存储器（MRAM）、微波器件和非易失性逻辑器件。与商业自旋转移扭矩技术相比，SOT 有望实现更高的电荷到自旋效率、更快的写入操作、更低的写入电流和更多的应用通用性，使其成为一项快速发展的技术。传统的 SOT 器件通常由与自旋轨道耦合（SOC）层相邻的铁磁（FM）层组成，如重金属，由于 SOC 效应，电荷电流被转换为自旋极化电流。这种自旋电流产生一个扭矩，操纵和切换FM层中的磁化。在许多基于各种材料的 SOT 器件中观察到了广泛的扭矩效率，包括拓扑绝缘体和过渡金属化合物。 近年来，各种二维范德华（2D vdW）材料的发现，包括 2D 过渡金属二硫化物（TMD）、2D 磁体和Weyl半金属，为SOT器件开辟了新的途径。2D 材料提供了非传统的 SOT 和新的磁化转换机制。某些二维TMD，如 WTe2，由于其较大的 SOC 效应和较低的晶体对称性，已被发现可以产生具有高扭矩效率的非传统平面外反阻尼 SOT。据报道，2D 磁体具有长程磁序、强垂直磁各向异性和显著的霍尔效应。特别是，2D vdW 拓扑铁磁金属 Fe3GeTe2 显示出巨大的 SOT，提供了对磁态和相变的强大控制。2D vdW SOC/FM异质结构，如与低对称性WTe2 相邻的垂直极化Fe2.78GeTe2，已被实验验证为无场确定性磁开关。 研究内容 先前关于 SOT 器件的理论研究主要集中在扭矩产生机制和磁化转换动力学上。在这项研究中，作者采用密度泛函理论（DFT）结合 QuantumATK 中实现的非平衡格林函数（NEGF）来计算 2D vdW SOC/FM 双层异质结构中的本征 SOT。 作者考虑了一组与自旋电子学相关 2D […]

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非对称导电通道和电势重分布的竞争决定了层状铁电材料随极化变化的电导率

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研究简介 存内计算利用存储器进行原位计算，因此有望突破由于数据移动带来的时延与功耗瓶颈。α-In2Se3、和AgSiP2Se6等层状铁电半导体结合了原子级厚度的半导体用于小尺寸逻辑的优势和铁电性用于非易失性存储器的优势。这些半导体为存内计算提供了理想的平台。利用层状铁电半导体作为通道，可以在双端或者三端器件中实现逻辑、内存和神经形态计算功能。这些器件中的多种电导状态为逻辑和内存的集成提供了物理基础。在这种情况下，实现精确的电导调制就变得至关重要。然而，铁电沟道场效应晶体管（FeCFET）中的电导受到铁电极化状态的强烈影响。这种极化-电导耦合出现在铁电沟道内部，与常见的铁电场效应晶体管（FeFET）中不同功能区之间的耦合显著不同。要实现基于各种层状铁电半导体的逻辑和存储器件的功能和性能优化，就必须回答沟道极化如何影响电导这一根本问题。 图1. 双栅极α-In2Se3铁电半导体沟道晶体管 研究内容 作者基于密度泛函理论计算与量子输运模拟，解析了层状铁电半导体α-In2Se3中极化相关电导率的两种基本机制：隐性Stark效应导致的非对称导电通路（图1）和栅极外场诱导的电势重分布（图2）。在这里，作者运用了QuantumATK的能带计算与投影功能来分析不同极化状态下内建电场对铁电半导体能带的影响，运用了QuantumATK计算电势分布、态密度、透射系数等功能研究了器件的输运性质。在文章中，作者后续的实验测试结果进一步验证了这两大机制。 图2. 层状铁电半导体中的隐性斯塔克效应导致非对称导电通路的形成 图3. 相对于栅极的铁电极化方向决定的电势重分布 在理清了极化与电导之间的耦合规律之后，作者提出了精确控制双栅极铁电沟道场效应晶体管的导电阈值的两大策略，即控制导电通道位置或者氧化物厚度，并实现了多种自切换存内逻辑功能。 参考 Quhe, R., Di, Z., Zhang, J. et al. Asymmetric conducting route and potential redistribution determine the polarization-dependent conductivity in layered ferroelectrics. Nat. Nanotechnol. 19, 173–180 (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01539-4

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气敏材料与器件的模拟

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QuantumATK 因其在材料电子态、输运性质和分子动力学性质等方面有丰富的模拟工具箱，特别适合研究这类气敏材料和器件特性，包括： 检测分子在材料上的吸附和脱附 使用过渡态搜索或分子动力学方法研究 吸附导致的电输运特性变化 构造器件构型，直接计算体系电流变化与影响因素 相关机理的探讨 丰富的电子态投影、电荷分析、结构分析等手段，帮助理解机理 Biaxila 应变调控 C5N 基二维器件高各向异性气敏性能：第一性原理研究 二维氮化碳材料因其丰富的元素资源、高物理化学稳定性和优异的电子性能，被广泛应用于器件制备、气体吸附与分离等诸多领域。本文采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法，研究了 C5N 基结构的电子结构、输运特性和气体灵敏度。结果表明，电子输运表现出明显的各向异性，其中扶手椅型方向的电子输运比锯齿型形方向的电子输运更具导电性。值得注意的是，两个方向都存在负微分电阻效应。此外，还研究了吸附在 C5N 单层上的无机分子（NO、CO、NO2、SO2 和 NH3）的输运和传感特性。结果表明，CO、SO2 和 NH3 以物理吸附的形式存在于C5N表面，而 NO 和NO2 则以化学吸附的形式粘附在 C5N 表面。设计的C5N 气敏传感器对 NO 和 NO2 分子表现出很高的灵敏度，在 0.1 V 偏压下对 NO2 的灵敏度达到81%。最后研究了应变对气敏器件吸附性能的影响。研究表明，在扶手椅方向施加 -4% 的应变可以明显增加 NO 和 NO2 的电流，显著提高气敏器件的性能。无论是对器件施加应变还是气体吸附，C5N 材料始终保持明显的各向异性。本研究表明 C5N 是一种高度各向异性和灵敏性的二维材料，在电子特性和气体传感领域有着广阔的应用潜力。 Li, H., Liu, Z., Liu, G., Yang, N., Wu, […]

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扭转hBN/NbSe2异质结构的电子特性及其在锂离子电池中的应用：第一性原理研究

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简介 可用作锂离子电池电极的二维（2D）材料多种多样，但很难有单一材料可以满足所有的综合性能需求。因此，研究的一个努力方向为设计异质结构，从而实现在单一母体结构中不存在的特性。这篇论文报道的工作中，作者设计了一种由导电的2D NbSe2层和绝缘的六方氮化硼（h-BN）制成的范德华异质结构作为锂离子电池中的电极，并考查两种材料层间扭转角度的影响。异质结构实现了金属特性，这使得本来绝缘的h-BN能够应用于电池。吸附位点随扭曲角度的不同而变化。对于5.21°和54.79°的扭转角，H位点是最有利的吸附位点，但对于所有其他扭转角，T位点仍然是最有利吸附位点。当表面之间的角度为19.11°时，在不同的扭曲角度下，与所有其他配置相比，异质结构表现出更好的稳定性。与单个单层相比，吸附能得到增强，表明嵌入效果更好。在19.11°的扭曲角下，结构显示出0.6eV的最小扩散势垒，而在所有其他扭曲角下显示出0.9eV的势垒。开路电压为0.62 V。该结构显示出185 $ \mathrm{mA}~\mathrm{h}~\mathrm{g}~\mathrm{m}^{−1}$的比容量。 研究内容 作者使用 QuantumATK 中的原子轨道线型组合（LCAO）基组方法的DFT对这种异质结构进行了详细的研究。使用 QuantumATK Builder 中的 Interface 工具可以构造任意材料之间的界面，控制晶格试配情况、超胞原子数和晶格张力，并比较了不同扭转角度的结构特征，以及在锂离子嵌入后结构的变化情况，确认19.11°为最好的扭转角度，并研究了扭转角度为 19.11 度时锂离子的嵌入吸附位点。作者通过结构的结合能、形成能以及第一原理的动力学说明了这些结构的稳定性。由体系的吸附结构状况、离子吸附能等信息可以计算出理论的比容量和开路电压。 采用电子分布、电荷布居和态密度投影等手段可以分析锂离子吸附后的构型的电子态。 采用CI-NEB方法可以计算锂离子在其中不同位点间的扩散能垒。 QuantumATK简介 以上是 QuantumATK 在电池材料研究中的一个入门级案例，供材料学计算模拟的初学者参考。实际上，QuantumATK 是一个全集成、全功能的材料与器件模拟平台，用户可以通过友好的图形界面可以直接使用以上多种计算引擎进行材料学模拟研究。QuantumATK 完全基于 Python 开发，用户可以直接编程混合使用其中专有的 Python 类型和更多的开源模块进行二次开发，丰富自己的研究工具箱。 QuantumATK 在整合和改进传统计算方法引擎和材料性质计算模块方面进行诸多有益的尝试，为全流程的材料计算模拟准备好了必要的工具。自有的密度泛函理论（DFT）方法算法可以更好的的平衡计算量和精度，常规DFT计算可以直接模拟数千原子的超大体系，杂化泛函计算速度提升百倍，可以直接计算千原子体系；机器学习力场方法可以在图形界面上操作，实现训练、验证、主动学习和力场应用的全部流程；在性质计算方面，QuantumATK 包含多种复杂物理模型，提供力、光、热、电、磁、电输运等性质的计算模块；独特的双电极器件与栅极器件模型可以直接计算复杂异质结构的伏安特性和转移特性等，是研究纳米电子器件的有力工具；在聚合物材料、电池材料等多领域都提供特殊的模型和方法，更好的模拟贴近实际的材料体系。 更多信息参看费米科技官网： https://www.fermitech.com.cn/quantumatk 参考 Sahoo, S., et al. Electronic Properties of Twisted hBN/NbSe 2 Hetero-Structure and Its Application as an Electrode in Lithium-Ion Battery: […]

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考虑自旋轨道耦合的二维范德瓦尔斯铁电半导体中可调的自旋体光伏效应

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背景介绍 体光伏效应是一种特殊的非线性光学效应，它可以让在中心反演对称性破缺的体系中受到光照后产生直流电，这种效应和二次谐波效应（产生交流电）也具有密切的关系。自旋体光伏效应是体光伏效应的一种衍生子效应，特指材料在被光照射后可以产生自旋流。要产生自旋体光伏效应的核心是自旋-动量锁定，而考虑相对论效应则是最直接的一种实现自旋-动量锁定的方法。在本文中，作者系统地总结了由于相对论效应产生的自旋体光伏效应的机理，并通过对称性分析和第一性原理量子输运方法研究了在铁电调控下这些自旋流的调制情况。 研究内容 近日，北京大学物理学院吕劲课题组在Phys. Rev. B上发表了题为“Tunable spin photogalvanic effect in two-dimensional van der Waals ferroelectric semiconductors with spin-orbit coupling”的工作，该工作系统性地研究了由于自旋轨道耦合效应导致的自旋体光伏效应在范德瓦尔斯铁电材料中受铁电调控的一般情况。并且在研究面内铁电极化时发现一种全新的物理现象，即调控体系的铁电极化方向后，光激发的自旋流不发生改变，但电荷流的方向发生改变，作者将这种全新的现象命名为“隐藏的自旋流调控”效应。 本文中的相对论性第一性原理量子输运模拟是由QuantumATK实现（采用了相对论性的赝势和原子轨道基的结合），本文的结果表明了使用量子输运方法研究特定体系的输运性质（包括非线性光学效应）已经成为了继密度泛函微扰理论之后的又一有力工具。本文的第一作者为课题组博士方世博，通讯作者为北京大学物理学院罗昭初研究员和吕劲研究员。 以下是使用QuantumATK计算的自旋体光伏的电荷流和非共线自旋流性质，文中考虑了三种二维材料中的铁电调控情况，分别是面内铁电材料（BP-Bi为例）： 面外铁电材料（α-GeTe为例）： 和面内面外耦合的铁电材料（α-In2Se3）： 总结： 该工作系统地提出了一个模型，用于描述自旋-光电旋效应（SPGE）在自旋轨道耦合（SOC）铁电半导体中的行为，考虑了一阶相对论扰动（Rashba效应），包括平面内、平面外和平面内-平面外耦合的自旋轨道耦合。在平面内铁电材料中，可以通过调节铁电性质来调制Sz分量的自旋电流，但不能通过圆偏振光来实现。在平面外铁电材料中，无论是线偏振光还是圆偏振光都可以通过调节铁电性质来调制Sx和Sy分量的自旋电流。在耦合铁电材料中，无论入射光的类型如何，都可以通过铁电性质有效地控制自旋电流的所有三个分量。通过采用第一性原理计算和量子输运，该文使用BP-Bi、α-GeTe和α-In2Se3这三个案例验证了这个模型。结果表明，当忽略高阶相对论扰动时，该模型是成立的。然而，当铁电材料受到来自高阶相对论效应（Dresselhaus效应）的扰动时，需要对模型进行特定修改。这项工作为未来关于电-光-磁耦合新型存储器的研究铺平了道路。 参考文献： Tunable spin photogalvanic effect in two-dimensional van der Waals ferroelectric semiconductors with spin-orbit coupling. Phys. Rev. B 109, 195202 (2024); DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.195202

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基于Janus-MoSSe和C3N4构建的范德华异质结中的可调节能带排列和光学特性

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背景简介 具有可调节能带排列的范德华异质结被认为是未来制造高性能多功能纳米光电器件的理想候选材料。在半导体与半导体结合构建的异质结构中具有多种能带排列方式，包括I型（跨接）、II 型（交错）以及 III 型（断隙）。I 型异质结构中的电子和空穴都位于同一种半导体材料中，这将有利于载流子的快速复合，这一特性使得I型异质结通常用于发光器件中。而在II型异质结构中，电子和空穴则位于不同的半导体材料，这种空间上的分离能够有效抑制载流子的复合并延长层间激子寿命，因而在太阳能器件中得到广泛应用。对于III型异质结构，由于两种半导体材料的价带和导带相互重叠，导致III型异质结构具有更高的电子隧穿概率。因此，实现异质结构的可调节能带排列是制造高性能的多功能纳米光电器件的前提。然而，目前大多采用调节异质结构的构成层成分或者厚度的方法来实现能带排列方式的变化，显然这些方法难以在实验中实现。 研究内容 由于具有 S 原子和 Se 原子两个不同的表面，因此 Janus-MoSSe 两表面的电势并不相同。基于 MoSSe 的这种特性并考虑 C3N4 相对 MoSSe 的不同旋转角度，通过结合能的计算获得最稳定的 MoSSe/C3N4（C3N4-Se）和 C3N4/MoSSe（C3N4-S）异质结构，并进行相关性质的研究。研究表明，由于两种异质结构内建电场强度的不同（图1c-d）导致构成层的能带边缘位移的差异（图2），MoSSe/C3N4 异质结构呈现出I型能带排列特征，这将适用于发光器件中，C3N4/MoSSe 异质结构呈现出II型能带排列特征，这将有利于载流子的分离并在太阳能器件中具有较大应用潜力。相较于目前调控异质结构能带排列方式的手段，这种通过切换异质结构堆叠方式来实现的方法，将更容易在实验中实现。此外，这两种异质结构的能带排列方式可以通过外加电场进行调节，即在I型和II型能带排列之间转换。另一方面，两种异质结构在原始状态下的主要吸收峰都位于可见光区（~2.9eV），通过施加正（负）方向电场，吸收峰的峰值可以得到增强（减弱），这一特征使得 MoSSe/C3N4 和 C3N4/MoSSe 异质结构可以应用于光调制器中。这些研究结果表明，MoSSe/C3N4 和 C3N4/MoSSe 异质结构在多功能电子器件（包括发光器件、太阳能器件、光调制器等）中具有巨大的应用潜力。 图1  MoSSe/C3N4 和 C3N4/MoSSe 异质结构的（a-b）层相关的投影电子能带结构和（c-d）沿z方向的有效势。 图2  MoSSe/C3N4 和 C3N4/MoSSe 异质结构的能带排列和功函数示意图。ΦW、Evac 和EF 分别表示功函数、真空能级和费米能级。真空能级设置为零。 总结 基于 Janus-MoSSe 的面外不对称性，将 C3N4 分别放置在MoSSe 的不同侧面构建出 MoSSe/C3N4（C3N4-Se）和 C3N4/MoSSe（C3N4-S）异质结构，以此希望通过更为简便的方法实现异质结构能带排列方式的转换和更强的光学性能。由于 MoSSe 两侧原子的势能差异，两种异质结构的内建电场强度并不相同，导致其构成层能带边缘的位移程度也存在差异，最终 MoSSe/C3N4 […]

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