【QuantumATK亮点文章】第五主族二维衍生物BiN的电子性质与输运特性的理论研究

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摘要 在当今后摩尔时代下，器件芯片的高性能、低功耗特性对于物联网、人工智能和 5G 等关键领域而言将变得至关重要。然而，随着摩尔定律的发展，传统晶体管的节点推进和尺寸缩小的趋势逐渐放缓，难度也逐渐增大。因此，技术创新是后摩尔时代微电子器件实现多样化发展的关键，特别是晶体管的沟道材料。最近，新兴的二维半导体材料受到了研究者们的广泛关注，其凭借着传统半导体不具备的超薄的厚度、自然钝化的表面、良好的栅控能力、高的迁移率等优异性质，在下一代微纳电子器件的发展进程中发挥了关键作用。 近日，南京理工大学张胜利教授团队基于有效质量差异性设计了高性能、低功耗亚 10 纳米二维 BiN 晶体管，结合第一性原理和非平衡格林函数理论，探索了有效质量、态密度、开态电流、亚阈值摆幅等性质受能带散射程度的影响，揭示了二维 BiN 晶体管在窄沟道器件应用上的潜力，为开发新一代二维微电子器件提供了新的思路。相关研究成果以“Designing sub-10-nm Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors via Ballistic Transport and Disparate Effective Mass: The Case of Two-Dimensional BiN”为题发表于应用物理类期刊《Physical Review Applied》，博士生周文瀚为第一作者。 参考文献 H. Zhou, S. L. Zhang, S. Y. Guo, Y. Y. Wang, J. Lu, X. Ming, Z. Li, H. Z. Qu, H. B. Zeng, “Designing sub-10-nm […]

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食源性病抗菌剂与氧化抑制剂-面包树提取物：RSM、COSMO-RS与分子对接研究（Sci. Rep. 2020）

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油脂氧化和微生物污染是导致食品变质的主要因素。食品添加剂，如抗氧化剂和抗菌剂，可以通过延缓氧化和防止细菌生长来防止食品腐败。面包树叶具有良好的生物学特性，是天然抗氧化剂和抗菌剂的新来源。马来西亚国际伊斯兰大学Mohammad Norazmi Ahmad等，采用响应面法优化了超临界流体萃取法（SFE）从叶片中提取生物活性物质的工艺，提供产率、抗氧化活性。最佳萃取条件为：温度50.5℃、压力3784 psi、萃取时间52 min。验证试验结果（Tukey试验）表明，预期的DPPH活性与实验的DPPH活性及收率（99%）无显著差异。 气相色谱-质谱（GC-MS）分析表明，面包树提取物中含有三种主要的生物活性成分。该提取物具有2,3-二苯基-1-苦基肼（DPPH）清除活性、血浆铁还原能力（FRAP）、羟基清除活性、酪氨酸酶抑制率，分别为41.5%、8.15 ± 1.31毫克（相当于抗坏血酸的微克）、32%、37%，抑制区直径分别为0.766 ± 0.06 cm（蜡样芽胞杆菌）和1.27 ± 0.12 cm（大肠杆菌）。 利用COSMO-RS解释了超临界流体萃取过程中主要生物活性物质的萃取机理。分子静电势（MEP）显示了细菌在抑制过程中亲核和亲电攻击的概率位点。分子对接研究表明，主要生物活性物质与细菌之间发生的主要相互作用（抗菌抑制）是非共价相互作用。 参考文献： Mohammad Norazmi Ahmad, Nazatul Umira Karim, Erna Normaya, Bijarimi Mat Piah, Anwar Iqbal & Ku Halim Ku Bulat, Artocarpus altilis extracts as a food-borne pathogen and oxidation inhibitors: RSM, COSMO RS, and molecular docking approaches, Scientific Reports volume 10, Article number: 9566 (2020) 相关图文教程： 分子静电势的计算 表面电荷密度与σ-Profile、σ-Potential 计算萃取分配系数 相关视频教程： 流体热力学计算：表面电荷密度、分子静电势、σ-Profile、气体溶解度

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二维光电子学：WS2-WSe2异质层中扭曲角依赖的层间激子扩散（Nat. Mat. 2020）

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最近的一项实验和理论研究揭示了扭转层对范德华异质结构的影响，过渡金属二硫化合物（TMDCs，MXenes）异质双层膜中的激子输运被两层膜的扭曲角所调节，从而产生moiré势。瞬态吸收显微技术表明，WS2-WSe2异质双层膜在较高温度下激子衰变率较长，当层扭曲60°时更长。理论学家Agnieszka-Kuc、Thomas-Brumme和Jens-Kunstmann对观测到的激子动力学进行了解释： 采用自旋轨道耦合DFT方法，在二维带周期边界条件下，分别计算了在0°和60°扭转角下异质双层膜的能带结构。在异质双层WS2-WSe2激子中，空穴优先处于WSe2价带，而电子则在WS2导带中运动。在该导带中，Q点的能量比K点低。由于K-K激子衰变现在是热激活的，温度越高，K电子的布居数越高，衰变率越长。由于60°扭转角处的能量差ΔEK–Q比0°处的能量差小，Q到K的后向散射效率更高，导致K-K衰减率更长。 WS2-WSe2异质双层膜在能量上有利于K-Q层间激子，从K价带最高点向Q导带最低点跃迁能最低，因此直接K-K衰变是热激活的，ΔEK–Q衰减率取决于扭转角。 示例输入文件可供参考(点击下载)。但需要注意，在WS2和WSe2单层（ML）晶格之间存在约4%的晶格失配。一个完全相称的晶格需要在一个单元中有几千个原子，目前对自旋轨道耦合DFT计算还不可行。取而代之的是，对称的6原子体系被用于三个晶格：在WS2-ML弛豫晶格、WSe2单层弛豫晶格和平均晶格。WS2有所拉伸，WSe2则被压缩，这会导致能带结构有所偏差。 扭曲只是调整二维半导体光电特性的可能性之一，在密度泛函计算的指导下，关于异质双层膜扭曲如何影响激子动力学的理解，有助于进一步发展量子光子学器件。在即将到来的欧盟项目中，将进一步发展AMS软件在研究二维半导体光电特性方面的功能。 参考文献： L. Yuan, B. Zheng, J. Kunstmann, T. Brumme, A. Kuc, C. Ma, S. Deng, D. Blach, A. Pan, L. Huang, Twist-angle-dependent interlayer exciton diffusion in WS2–WSe2 heterobilayers, Nature Materials, 19, 617–623(2020)

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【QuantumATK亮点文章】机器学习研究钙钛矿材料的稳定性和带隙

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文章摘要 钙钛矿的成分调控让人们能够精确控制其在光伏应用所需的材料性能。然而，同时解决效率、稳定性和毒性仍然是很大的挑战。混合的无铅钙钛矿和无机钙钛矿最近显示出了解决此类问题的潜力，不过它们的组分空间巨大，即使采用高通量方法也很难发现有希望的候选结构。此项研究通过使用由密度泛函理论生成的344个钙钛矿的新数据库，使用与元素无关的通用指纹信息的机器学习方法可以快速而准确地预测关键属性。使用验证子集预测的带隙、形成能、和凸包距离分别在146 meV、15 meV/atom 和 11 meV/atom 内。得到的模型可以用于预测完全不同的化学组分空间中的趋势，并进行快速的组成和结构空间采样，而无需进行昂贵的从头算模拟。 QuantumATK中的计算自动化功能 本文中提及的研究全部采用QuantumATK完成。QuantumATK包含了完整的Python 3基础环境与科学计算模块支持，还包含众多自主开发的结构生成、计算方法和性质分析模块，可以直接设计自动化的计算流程： 结构模型：使用 Python 脚本操作结构、设计结构模板、批量生成结构；在图形化界面的 Builder 中也可以使用 Python 命令操纵结构。参考：https://docs.quantumatk.com/guides/builder/builder_console_guide.html 计算设置：使用 Python 脚本自动化完成批量结构的计算；图形界面也可以直接设置计算脚本模板： https://docs.quantumatk.com/guides/scripter/templates/templates.html 性质分析与汇总：图形用户界面新增报告生成工具，直接汇总计算结果得到统计和对比图。 参考 Jared C. Stanley, Felix Mayr, and Alessio Gagliardi. Machine Learning Stability and Bandgaps of Lead-Free Perovskites for Photovoltaics. Adv. Theory Simul. 2019, 1900178 QuantumATK脚本编程手册：https://docs.quantumatk.com/manual/NLRefMan.html 立即试用 QuantumATK！ 下载QuantumATK软件安装包 申请QuantumATK的全功能试用许可  

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【QuantumATK亮点文章】磁性存储材料研发中磁各向异性能（MAE）模拟

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概述 作为欧盟 COSMICS 研究项目的一部分，QuantumATK 团队与来自 SPEC CEA、巴黎萨克雷大学的科学家共同发表了一篇关于Fe、Co 和 Ni 片层的磁晶各向异性能（MAE）模拟的论文[1]。这项工作表明，利用 QuantumATK 进行模拟可以有效的研究控制MAE 的参数，例如这些材料（如块体，片层，表面或界面）的厚度和晶向。由于 MAE 的可调性通常是磁性材料的一种理想功能，因此建模是研究工作流程中设计具有最佳磁性特性的材料的重要组成部分。例如，诸如磁性随机存取存储器（MRAM）的新型存储器体系结构依赖于具有优化的 MAE 属性的材料来存储和保留信息。较大的 MAE 在给定的磁性状态下提供了良好的保持特性，即在一定时间内存储了磁化方向，而在二进制写入过程中，需要较低的 MAE 来随意切换磁化方向。 使用 QuantumATK 模拟 MAE 的优势 QuantumATK 是唯一包含基于赝势的密度泛函理论（DFT）方法、LCAO 和平面波基组的程序。这使得计算过程中可以从LCAO 无缝转换到平面波基组，从而轻松在 MAE 模拟过程中在速度和精度之间寻找最佳平衡，使用 LCAO 基组可以进行更大体系的模拟。 MAE（即不同磁化方向的能量差）在数值上是很小的。为了提供准确的结果，QuantumATK 有很好的参数默认值（例如 k点采样和每个电子的能带），当然也可以轻松调整这些参数。 此外，QuantumATK 提供了有效的数值方法，将 MAE 分解为异质体系（例如表面、界面或任何类型的缺陷）中局域贡献的加和。 QuantumATK 提供了用于设置和分析结果的高级图形用户界面（GUI），如图 2 和图 3 所示。高级的重新启动功能使用户可以更高效地执行 MAE 模拟，因为它可以重新运行 MAE 模拟，轻松包含新的磁化方向和投影，而无需重新计算任何已经得到的中间数据。 参考 L. Le Laurent, […]

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封面：有机硼功能化使多金属氧酸盐纳米胶囊的分级组装成为可能（Angew. Chem. 2020）

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多金属氧酸盐简称多酸（polyoxometalates，POMs），是前过渡金属离子的高氧化态（Mo, W, V, Nb, Ta）与氧形成的纳米级簇类金属氧化物阴离子。功能化POMs 材料在医药、磁性材料、环境保护、催化、分子电子学、能源转化和储能材料等领域具有广阔的应用前景。 河南师范大学陈学年教授课课题组、南方科技大学郑智平教授和德国乌尔姆大学Carsten Streb教授，提出利用硼酸对POMs进行共价功能化的新机制，利用硼酸中硼原子的电子缺陷和亲电性以及POMs中金属氧基的亲核性和高电子密度，使用有机硼酸将Dawson阴离子[M3P2W15O62]9- (M = Nb, Ta)连接到POM基纳米结构，合成了直径约4nm的具有内腔和独特的高对称性结构的POM聚集体。     为了深入了解有机硼功能化POMs的形成机理，作者使用Amsterdam Modeling Suite（简称AMS）中ADF模块，进行了密度泛函计算研究，对POM的主要构造单元{M3W15}的电子结构进行了比较。为了合理解释五族金属对Mulliken电荷分布的影响，作者比较了{Ta3W15}、{Nb3W15}、{V3W15}。 三种物质显示出明显的Mulliken电荷分布趋势，以及端位（Ot）、桥位（Ob）氧基的Lewis碱度序列：O(Ta) > O(Nb) > O(V)。而在实验上，观察到Nb形成1-Nb、2-Nb与Ta形成1-Ta、2-Ta相比，PH值更低（二者分别为1.0~0.0、4.0~0.0）。而{V3W15}即使在低PH值下，对各种硼酸都没有反应性。正是碱度/亲核性促进了M-O-B的连接，最终形成四聚、十二聚的分子胶囊结构。 该论文被编辑部评为VIP论文 (Very Important Paper)，又被选为封面文章，发表后被Chemistry Views做亮点介绍。 Shujun Li, Yanfang Zhou, Nana Ma, Jie Zhang, Zhiping Zheng,* Carsten Streb,* and Xuenian Chen*, Organoboron-Functionalization Enables the Hierarchical Assembly of Giant Polyoxometalate Nanocapsules, Angew. Chem. Int. Ed. […]

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具有半导顺磁态的二维COF材料（JACS 2020）

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石墨烯中弹道输运的发现点燃了人们对二维（2D）材料的探索，目前已应用于电子和材料科学等领域。特别是二维π-共轭共价有机框架（COFs）由于其结构可调谐性广、比表面积大和众多的相关性质而备受关注。 最近加拿大麦吉尔大学，以三硝基TANG（trioxaazatriangulene）为前驱体，经钯催化加氢和芳香二醛缩聚的一锅二步反应合成了高结晶度和永久孔隙层状二维结构的黑晶（aza）三角烯基COF材料TANG-COF。刚性、富电子的TANG结构块产生强烈的π-电子相互作用，从而在可见光和近红外区（Eg≈1.2eV）很宽的范围内存在光吸收。TANG-COF的高HOMO能量（-4.8eV）使p掺杂变得非常容易，导致高达10-2S/cm的电导率和自旋浓度为10%的室温顺磁行为。   基于AMS-BAND的DFT-HSE06计算有助于确定结构的对称性约束以及TANG的分层结构，DFT计算预测了二维共价TANG网络的π堆叠产生的各向异性电荷输运。虽然单个2D聚合物层具有大的带隙（1.81ev），HOCO（0.28ev）和LUCO（约0ev）中存在少量色散，但其堆叠结构的带隙却很窄（0.80ev），并且沿π-堆叠方向出现了显著的带色散（HOCO为0.95ev）。在各向异性压缩COF颗粒实验证实了DFT的预测。 AMS-BAND使用STO基组，在二维、一维材料领域，在精度与效率方面均远超平面波方法，在不折损精度的前提下，杂化泛函的计算效率比平面波方法高一个量级。 Vellanki LakshmiCheng-Hao LiuMalakalapalli Rajeswara RaoYulan ChenYuan FangAfshin DadvandEhsan HamzehpoorYoko Sakai-OtsukaRobin S. SteinDmitrii F. Perepichka, A Two-Dimensional Poly(azatriangulene) Covalent Organic Framework with Semiconducting and Paramagnetic States, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2155−2160

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改进深蓝热激活延迟荧光发射：TMCz-BO (Nat. Comm. 2020)

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传统上，OLED器件只有25%的内部量子效率，因为只有单个激发态可以用来发射荧光，另外75%激发到三重态。近年来重金属的强自旋轨道耦合（SOC）效应被用来增强系间窜跃，将理论量子效率提高到100%。使用重金属的一个缺点是，但是金属配位键较弱，导致蓝色OLED的寿命较低。另一个方案是使用热激活延迟荧光（TADF）机制，通过逆向系间窜跃（RISC）将最低三重态（T1）转换为最低单重态（S1）。虽然TADF机制很有前途，但如果逆向系间窜跃发生得不够快，它可能会受到其它竞争进程的阻碍。这需要较小的S1-T1能隙，以及S1态和T1态之间良好的振动耦合，自旋轨道耦合（SOC）对系间窜跃速率也有很大的影响。   日本九州大学OPERA究中心发现了一种新的深蓝色TADF发射器TMCz-BO，在467nm处高效发光。文章使用AMS-ADF考虑自旋轨道耦合的TDDFT（SOC-TDDFT）的计算，解释了TMCz-BO的TADF发光为何如此高效：T2和S1状态之间的旋轨耦合矩阵元（SOCME）相对较大（0.124cm-1），有利于逆向系间窜跃，而系间窜跃回到T1状态，则由其0.001cm-1的低SOCME所阻碍。 这种计算策略对TADF发射体的进一步发展和分子设计具有重要意义。用AMS-ADF很容易优化基态和激发态。所用到软件功能的中文教程参考：第三代OLED材料性能的第一性原理计算：通过DFT预测TADF逆向系间窜跃速率 (JACS, 2017) Jong Uk Kim, In Seob Park, Chin-Yiu Chan, Masaki Tanaka, Youichi Tsuchiya, Hajime Nakanotani & Chihaya Adachi, Nanosecond-time-scale delayed fluorescence molecule for deep-blue OLEDs with small efficiency rolloff, Nat Commun 11, 1765 (2020)

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钯使聚氯乙烯工业更环保 （Applied Catalysis B: Environmental，2020）

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聚氯乙烯是以氯乙烯单体为原料，通过自由基聚合反应合成的应用广、成本低、性能优异的聚合物。目前，活性炭负载HgCl2催化剂在工业乙炔加氢氯化制备氯乙烯中仍有应用，对用环境友好的无汞催化剂代替氯化汞催化剂，是绿色化学方向的迫切需求。为了寻找最佳钯催化剂替代，浙江工业大学工业催化研究所、环境学院与台州学院医药化工与材料工程学院联合研究，通过合成和分析从纳米颗粒、团簇到单原子位不同纳米结构的钯基催化剂，探索了负载型钯基催化剂用于乙炔氢氯化反应的活性位置和催化机理，如下图1 a所示： 图1 a，合成过程的示意图；b，不同钯位的催化性能。数据参考原始文献 研究表明，Pd单原子位点比Pd团簇（Pd/AC-R）或Pd纳米颗粒具有更高的活性和稳定性（图1c），吡啶氮有助于钯单原子位的催化活性（图1d）。采用密度泛函理论（DFT）和动力学分析相结合的方法，通过监测协同效应，进一步探讨了吡啶氮对提高催化活性的贡献。通过AMS-BAND进行DFT计算，清楚表明PdN2物种通过改善乙炔吸附，提高了催化效率（图2a）。在该位点，氯乙烯单体是由吸附在Pd位的C2H2与吸附在吡啶N位的HCl反应产生的，遵循Langmuir-Hinshelwood机理，Pd和吡啶N为双活性位（图2b）。 图2 a，C2H2在不同Pd位上的吸附模型和吸附能；b，吡啶氮上稳定的PdN2位反应机理的DFT计算。蓝色、灰色（载体）、红色、绿色、白色和棕色球分别代表N、C、Cl、H和Pd原子。 动力学研究表明，载体表面吡啶态N的大量存在促进了HCl在Pd周围的富集。这种富氯化氢策略，使得乙炔/氯化氢以1:1进料生产氯乙烯成为可能。 作者首次将钯单原子催化应用于乙炔加氢氯化反应，对化工行业具有重要的吸引力。值得一提的是，AMS中的BAND采用Slater基与数值基混合基组，非常擅长计算此类低维度体系，精度与效率均优于平面波方法。 参考文献： Wang B, Yue Y, Jin C, Lu J, Wang S, Yu L, Guo L, Li R, Hu Z-Ting, Pan Z, Zhao J, Li X, Hydrochlorination of Acetylene on Single-Atom Pd/N-Doped Carbon Catalysts: Importance of Pyridinic-N Synergism, Applied Catalysis B: Environmental (2020), 272, 118944

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NMR、ESR研究铂配合物的结构与反应性（Organometallics, 2020）

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最近Kaupp课题组结合实验和理论，对过渡金属磷化物化学进行了详细研究。用核磁共振监测Pt-PPh3与Pt(0)配合物的反应，并用DFT计算确证了反应中间体的结构，该研究有助于理解C-P键形成和断裂的催化过程。 研究表明，Pt(0)能够可逆地插入到三苯基膦的邻位C-H中，形成双核μ-氢化物配合物。对于这种亚稳态配合物，ADF计算有助于明确最有可能的同分异构体，以匹配实验中测量的化学位移和耦合数据。由于该配合物与反应物处于平衡状态，最终通过一个磷-苯基键的C-P键断裂形成热力学上有利的磷酰亚胺产物。 进一步研究C-P插入产物的氧化还原化学，EPR测量结果表明发生氧化还原反应的是硫醇基而不是金属中心。ADF的g因子与A张量计算结果，完全支持这些实验数据。 Berkefeld, A., Reimann, M., Hörner, G., Kaupp, M., Schubert, H.. C–P vs C–H Bond Cleavage of Triphenylphosphine at Platinum(0): Mechanism of Formation, Reactivity, Redox Chemistry, and NMR Chemical Shift Calculations of a μ-Phosphanido Diplatinum(II) Platform. Organometallics 39, 443-452 (2020).

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  • 突破传统：单离子源策略实现铁(I)配合物的温和高效合成研究背景 寻找对现有试剂的低成本、低毒的替代品，一直是均相催化领域的核心诉求。近年来，利用地壳富含的铁元素构建催化剂来取代昂贵且不可持续的贵金属元素，已成为该领域的研究热点。其中，一价铁（Fe(I)）分子配合物更是在诸多工业催化反应中展现出优异的催化性能。然而，性能优势的背后暗藏不可忽视的瓶颈。与第9、10族贵金属催化剂不同，低价铁面临着一个致命缺陷——缺乏化学性质稳定的起始物料。传统合成方法只能高度依赖钾石墨（KC8）或格氏试剂（RMgX）等强还原剂，对二价或三价铁前驱体进行原位还原。这不仅导致催化体系结构不明确，还极大地限制了反应的官能团兼容性。尽管此前学界曾尝试通过氧化铁羰基化合物或高价铁化合物还原法制备双夹心铁芳烃配合物，但往往因发生歧化反应难以分离得到纯净产物，最终功亏一篑。针对这一痛点，Oliver P. E. Townrow 等人在国际顶尖化学期刊 JACS 上给出了破局之法，课题组成功开发出一种在固态下对空气稳定的单核一价铁夹心配合物 [Fe(durene)2]+（durene = [...]
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