面向光辅助存储的范德华多铁隧道结设计

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研究背景 随着人工智能、物联网和边缘计算的发展,信息器件需要在更小尺寸下实现更高密度、更低功耗和更丰富的状态编码。多铁隧道结(MFTJ)能够同时利用铁电极化和磁构型调控隧穿电流,有望通过隧穿电致电阻(TER)和隧穿磁电阻(TMR)实现多阻态非易失存储。然而,传统氧化物多铁隧道结常受到界面缺陷、接触电阻和较大电阻面积乘积(RA product)的限制,难以兼顾高开关比与低读写功耗。二维范德华材料表面无悬挂键、界面洁净,可在原子级厚度下构建高质量铁电/铁磁异质结,为低 RA、多阻态自旋电子器件提供了新的材料平台。该研究基于第一性原理和 DFT-NEGF 输运计算,提出由半金属 CoGa2Se4 电极夹持铁电双层 Ga2Se3 的 Cu/CoGa2Se4/bilayer-Ga2Se3/CoGa2Se4/Cu 范德华反铁电多铁隧道结(AFMFTJ)。研究重点在于揭示铁电极化如何驱动界面准欧姆/肖特基接触转换,并进一步实现巨 TER、显著 TMR、低 RA 以及可反向切换的光响应。 研究内容 首先构建四层半金属/铁电/铁电/半金属范德华异质结构模型。双层 Ga2Se3 可形成 FE-R、FE-L、AFE-H 和 AFE-T 四种极化态,不同极化方向改变界面电荷转移与内建电场,从而调节两侧 CoGa2Se4/Ga2Se3 接触类型。该思路将铁电极化从“调势垒高度”进一步扩展到“调界面接触”,为多阻态隧穿结设计提供了更直接的物理手段。 图 1.(a)由铁电双层晶体夹在两个半金属层之间构成的 vdW AFMFTJ 示意图,黑色虚线框表示可通过反转横向外加电场方向来操控铁电极化方向。(b-e)通过 vdW 界面工程在四层多铁模型中实现多电阻态的设计原理,并给出四层结构模型中 vdW 铁电双层的示意电子能带结构。横向蓝色箭头和纵向红色箭头分别表示铁电层的铁电极化方向和半金属层的磁化方向,灰色箭头表示电子转移方向。 材料性质方面,单层 CoGa2Se4 表现出半金属性,自旋向下通道具有约 0.80 eV 能隙,可作为高自旋极化电极;单层 Ga2Se3 为稳定半导体,间接带隙约 1.05 eV,并具有可翻转的面外铁电极化。二者通过范德华作用堆叠后,既保持各自功能特征,又形成可由极化调控的界面能带排列。 图 2.(a)单层 CoGa2Se4 晶体结构的俯视图和侧视图(b)P↑ 态和(c)P↓ 态下单层 Ga2Se3 晶体结构的俯视图和侧视图(d)单层 CoGa2Se4 和(e)单层 Ga2Se3 的能带结构,蓝色箭头表示铁电极化方向。 能带计算表明,四种极化态对应完全不同的界面接触。FE-R 和 FE-L 中,一个界面接近准欧姆接触,另一个界面形成肖特基势垒;AFE-H 中两侧界面均趋向准欧姆接触;AFE-T 中两侧界面均表现为肖特基接触。该接触转换来源于 CoGa2Se4 与双层 Ga2Se3 之间的功函数差、极化场驱动的能带移动以及多界面电子转移。 […]

QuantumATK 磁性与自旋电子学合集(八)

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交错磁体 CrSb 基磁性隧道结中的自旋依赖输运 交错磁性是一种新兴磁有序态,兼具铁磁体的自旋极化和反铁磁体抵抗磁扰动的能力,为突破传统自旋电子器件的性能瓶颈提供了新途径。本文聚焦交替磁体 CrSb,通过对称性分析和密度泛函理论计算,揭示其三维布里渊区内由实空间旋转与镜面操作保护的自旋极化能带结构,并分析自旋轨道耦合对能带简并的调控作用。结合非平衡格林函数方法,研究基于 CrSb 的交错磁性隧道结的量子输运性质。结果表明,采用 2.196 Å 真空势垒时,费米能级附近的隧穿磁阻比达到 60%;当真空替换为有效厚度 4.4 Å 的单层 h-BN 后,TMR 降至 20%。该工作结合 Néel 自旋流,阐明了交错磁性子晶格自旋通道的协同输运机制,拓展了交替磁体的理论框架,并为基于 g 波对称交替磁性的自旋电子器件设计奠定基础。(Applied Physics Letters, 2025, 127: 182409. DOI: 10.1063/5.0278985.) 原子位移下 Rashba 自旋轨道耦合增强 Cs3Bi2Br9/α-In2Se3 异质结构的铁电性与自旋动力学 多种材料中已发现有趣的铁电极化,其中本征对称性破缺和自旋轨道耦合发挥重要作用,但 Br 原子位移条件下 Rashba 自旋轨道耦合调控铁电性质的机制仍不清楚。本研究采用杂化泛函和包含自旋轨道耦合的第一性原理非绝热分子动力学,阐明原子位移对铁电 Cs3Bi2Br9/α-In2Se3↓ 异质结构铁电性和载流子自旋动力学的影响。结果显示,Rashba 自旋轨道耦合通过增强对称性破缺显著提高铁电性;Br 原子位移使铁电极化达到 0.69 μC/cm2,自旋分裂强度达到 αR = 1.18 eV/Å。自旋分裂发生在异质结构导带底,同自旋通道载流子主要通过电子-声子耦合弛豫。弛豫过程由自旋向下载流子主导,其电子与空穴弛豫时间差为自旋向上通道的约五倍(空穴约两倍)。当 ΔdBr-Bi = 0.008 Å 时,界面电子-空穴复合时间缩短至 122.78 fs,并显著改善载流子分离效率。研究还表明,铁电极化能够有效调控该异质结构中的自旋光电流。(Physical Review B, 2025, 112: 174312. […]

电场执笔、层自由度传信:一体化交错磁隧道结实现全电控读写

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研究背景 交错磁体(altermagnet)兼具反铁磁体与铁磁体的优势:在实空间中具有补偿的磁矩,因而几乎不产生杂散场;同时又能在动量空间中形成非相对论性自旋劈裂,为自旋选择性输运提供基础。这些特性使交错磁体成为高密度、低功耗自旋电子器件的重要候选材料。 磁隧道结通常通过平行态(P)和反平行态(AP)之间的电阻差异存储和读取信息。在已有交错磁隧道结方案中,这两种状态往往依赖 Néel 矢量翻转来切换。然而,交错磁体的总磁矩严格补偿,利用自旋转移力矩(STT)或自旋轨道力矩(SOT)实现确定的 Néel 矢量翻转仍然困难,复杂的界面结构还可能带来效率损失和额外的能耗。研究关注的核心问题是:能否不翻转 Néel 矢量,只借助电场就完成交错磁隧道结的写入与切换? 为此,研究者把目光转向具有自旋—层耦合的双层交错磁半导体 V2Se2O。该体系的上下两层具有符号相反的自旋极化。零电场下,空间反演与时间反演的联合对称性使能带保持整体自旋简并;施加垂直电场后,层间电势差打破这一对称性,隐藏的自旋劈裂便可在不同层上显现。只需反转电场方向,就能够反转自旋劈裂的符号,而 Néel 矢量则始终不变。 图 1.(a)双层 V2Se2O 原子结构及交错磁序(b-c)导带附近的动量分辨自旋分布及侧视图(d-f)在 0、0.2 和 −0.2 V/Å 垂直电场下的自旋分辨能带(g-i)相应的层投影能带 研究内容 基于上述机制,选择双层 V2Se2O 作为原型,沿其(010)方向构建交错磁隧道结。与“金属电极—势垒—金属电极”的传统多材料结构不同,该器件由同一种双层材料连续构成,左右区域通过两组栅极分别施加垂直电场。两端电场方向相同时,两侧自旋通道相互匹配,器件处于平行态;两端电场方向相反时,自旋通道彼此不匹配,器件处于反平行态。换言之,P 态和 AP 态的写入不再依赖磁序翻转,而是通过改变电场方向直接切换。 第一性原理结合非平衡格林函数的量子输运计算显示,在 |E| = 0.2 V/Å、零偏压条件下,隧穿磁阻(TMR)为 1.10×1010 %。其物理图像十分直观:P 态下左右区域的自旋分辨费米面高度匹配,电子能够顺利传输;AP 态下相应通道彼此失配,隧穿过程受到强烈抑制。TMR 在一定偏压下仍保持在 104 %以上。 图 2.(a)栅极调控的器件示意图(b)P 态和 AP 态下两端电极的二维费米面匹配关系(c)P 态和 AP 态的总透射谱(d-e)透射系数和 TMR 随能量的变化(f-i)P 态和 AP 态下的自旋分辨透射本征态 该器件还呈现出鲜明的“层过滤”特征。在 0.2 V/Å 电场下,穿越费米能级的能带主要来自双层 V2Se2O 的底层,因此 P 态中的自旋向上和自旋向下通道都集中在底层,而顶层基本不参与输运。这意味着电子的传输不仅具有自旋选择性,还携带可分辨的层信息。层自由度由此成为新的信息载体,也为实验识别器件导电状态提供了可能。若能分别探测上下层信号,便可直接检验电场是否使器件保持在理想的单层过滤工作区间。 随后,进一步系统考察电场强度对器件性能的影响。随着 |E| 由 0.2 V/Å 增加至 0.4 V/Å,更多能带穿越费米能级,P 态透射持续增强;AP 态透射也随之增加,但始终小于 P 态。当电场达到 0.25 V/Å 时,导带与价带的自旋劈裂分支发生交叉,上下两层的能带同时参与费米能级附近输运,AP 态由此打开额外通道。TMR 从约 1010 % 迅速降至 5.06 × 104 %,此后仍保持在 104 % 以上。 图 3. 电场和偏压对输运性能的调控(a-b)P 态和 AP 态总透射系数随电场变化(c)TMR 随电场变化(d)在 |E| = 0.2 V/Å 时,P 态电流、AP 态电流及 TMR 随偏压的变化 这一突变并非器件失效,而是层分辨输运机制发生了转换。在较低电场下,只有一层提供主要通道,器件表现为单层过滤;超过临界电场后,另一层的能带也跨越费米能级,输运转变为双层共同参与。对于 P 态,左右所有自旋通道仍能匹配;对于 AP 态,新增的费米面重叠使原先被阻断的部分通道重新开启。因此,层信号不仅是新型信息自由度,也可以充当器件工作窗口的原位“指示器”。 图 4.(a)不同电场方向与强度下的自旋—层分辨能带示意(b)两条能带跨越费米能级后的二维费米面示意图(c)|E| = 0.25 V/Å 时 P 态和 AP 态的费米面匹配情况(d-g)P 态和 AP 态的自旋分辨透射本征态 总结 本研究提出了一种不同于传统磁序翻转的交错磁隧道结写入范式。垂直电场打破双层 V2Se2O 的层间 PT 对称性,使隐藏的自旋极化显现;反转电场方向即可反转自旋劈裂的符号,从而在 Néel 矢量不变的情况下完成 P 态与 AP 态切换。由同一种双层材料连续构成的一体化架构减少了额外异质界面的需求,并在 0.2 V/Å 电场下产生约 1.10×1010 % 的巨大 TMR。 更具特色的是,器件输运具有层过滤属性:低电场下主要由单层承担隧穿,电场超过临界值后则转变为双层共同输运。层自由度既拓展了信息编码维度,也为监测最佳工作窗口提供了可检测信号。该工作为低功耗、高速度交错磁存储器件提供了全电调控的理论路线,也展示了将自旋与层自由度协同用于量子输运设计的潜力。 参考文献 Chao Mao, Shiqi Liu, Baochun Wu, Shunfang Li, Jinbo Yang, and Jie Yang. Electrical-controlled and […]

基于图像的 C/SiC 复合材料在多次电弧射流暴露下的可重复使用性评估

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概述 可重复使用热防护系统(TPS)对于确保飞行器在反复承受高热流和氧化环境条件下的任务可靠性至关重要。应用于鼻锥和前缘的 TPS 必须由具备优异高温性能和抗氧化能力的热防护材料(TPMs)构成。碳/碳化硅(C/SiC)复合材料因其优异的抗氧化和抗烧蚀性能以及卓越的高温力学性能,被认为是可重复使用热防护系统的理想候选材料。 本研究建立了一种基于图像的评估程序,用以评估 TPMs 在多次电弧射流暴露下的可重复使用性。采用 0.4  MW 电弧加热风洞对针刺结构碳/碳化硅(NP-C/SiC)复合材料进行电弧风洞试验,以模拟大气再入条件。施加 3.12  MW/m2 的热通量,对两个试样分别进行 10 × 60 s和 4 × 150 s 的重复暴露。试验期间,使用高温计和热电偶实时测量表面及内部温度,并测量表面烧蚀后退率和质量损失。通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和能量色散 X 射线光谱仪(EDS)观察表面氧化行为。采用 micro-CT 获取感兴趣区域(ROI)内的孔隙率数据,并进行基于图像的有限元分析(FEA),计算微观结构变化对热导率的影响。 试验 将碳纤维束和短纤维网交替堆叠,随后用带刺针穿过厚度方向(z 向),以机械方式缠绕纤维层,从而提高层间结合强度。材料经历结合聚合物浸渍裂解(PIP)和液相渗硅(LSI)的致密化工艺,显著降低残余碳含量,提高抗氧化性能。所得 NP-C/SiC 复合材料的密度约为2.0 g/cm3,制备的两个试样分别命名为 NPCS-01 和 NPCS-02。 重复电弧风洞试验分为 Test-1 和 Test-2,在三个阶段评估试样状况:试验前(Pre)、第一组暴露完成后(Post-1)及所有暴露完成后(Post-2)。为研究重复次数和暴露时长对热防护性能及可重复使用性的影响,在保持总热载荷和热通量恒定的前提下,对 NPCS-01 和 NPCS-02 试样分别进行 10 次 60 s 和 4 次 150 s 的暴露,总暴露时间均为 600 s。 图:重复电弧风洞试验流程图 图像处理和模拟 使用 […]

QuantumATK 低维电子材料与器件合集(九)

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铁电调控能带排列增强 BAs/In2S3 铁电隧道结的隧穿电阻 本研究设计了基于 BAs/In2S3 范德华异质结构的二维铁电隧道结,并研究其输运特性。在低偏压下,不同极化态的电流幅值存在显著差异,产生高达 108% 的巨大隧穿电阻(TER)比。投影能带分析表明,铁电极化反转使能带排列由 III 型转变为 I 型。进一步分析发现,极化反转改变了总电荷转移,并相应调节 BAs 与 In2S3 层中费米能级的位置,进而导致金属态与半导体态之间的转变,实现高 TER 比。结果显示,这类高性能二维铁电隧道结在非易失存储器和铁电场效应晶体管中具有重要应用潜力。(Computational Materials Science, 2025, 253: 113823. DOI: 10.1016/j.commatsci.2025.113823.) 双层 GaN 纳米片:面向下一代晶体管的潜在沟道材料 氮化镓(GaN)是一种很有前景的第三代半导体,氢钝化翘曲双层 GaN 具有独特的电子特性。本研究利用第一性原理量子输运模拟评估栅长为 5 nm 的双层 GaN 金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。器件性能对电极掺杂浓度和欠叠长度高度敏感。优化后的 n 型/p 型器件在低功耗应用中的导通电流分别为 1059/689 μA/μm,在高性能应用中分别为 2037/1247 μA/μm;对应延迟时间分别为 0.053/0.078 ps 和 0.047/0.073 ps,功耗分别为 0.033/0.032 fJ/μm 和 0.057/0.054 fJ/μm。这些指标超过 IRDS 对“5 Å 等效节点”的目标。在相同工作条件下,双层 GaN MOSFET 的导通电流优于单层 MoS2、InSe、InP、硅烯和锗烷。总体而言,双层 […]

面外极化增强的亚 5 nm Janus MoSiGeN4 场效应晶体管设计

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研究背景 随着晶体管栅长缩小到亚 10 nm,传统硅基场效应晶体管不可避免地受到短沟道效应限制,难以同时满足高性能(HP)和低功耗(LP)应用需求。二维半导体具有原子级厚度和无悬挂键表面,有利于增强栅控能力、抑制短沟道效应,因此成为后硅时代超短沟道晶体管的重要候选材料。本研究以 Janus MoSiGeN4 单层为沟道材料,利用 QuantumATK 中基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法(DFT-NEGF)系统研究亚 5 nm FET 的工作机理、性能极限和优化策略,重点揭示内禀面外极化场在增强器件性能中的作用。 研究内容 研究首先比较了非极性二维半导体和极性 Janus 二维半导体在短沟道 FET 中的差异。对于 MoSi2N4、MoGe2N4 等非极性材料,上下表面对称,顶栅和底栅器件在零偏压和零栅压下具有相同电子势垒。相比之下,Janus MoSiGeN4 由于结构反演对称性破缺,形成面外极化,使顶栅和底栅器件具有不同势垒,从而为提高开态电流和改善亚阈值特性提供可能。 图 1.(a)基于“非极性”和“极性”二维半导体的场效应晶体管(FET)示意图。非极性(b1–d1)和极性(b2–d2)二维半导体的几何结构、有效势能及静电势差,分别以 MoSi2N4/MoGe2N4 和 MoSiGeN4 表示。在零偏压和栅极电压下,(e1)MoSi2N4 和(e2)MoSiGeN4 基 FET 的顶栅(Φe(TG))与底栅(Φe(BG))电子势垒。(f1)MoSi2N4 和(f2)MoSiGeN4 基 FET 的亚阈值斜率(SS)。 随后分析 MoSi2N4、MoSiGeN4 和 MoGe2N4 三种单层材料的几何结构和电子结构。计算结果表明,Janus MoSiGeN4 是稳定半导体,带隙约为 1.31 eV,介于 MoSi2N4(1.81 eV)和 MoGe2N4(1.02 eV)之间。由于面外电势不对称,MoSiGeN4 中存在从 Si 原子层指向 Ge 原子层的极化方向。在器件性能方面,构建以 MoSiGeN4 为沟道的双栅 FET,并与 MoSi2N4、MoGe2N4 器件进行对比。结果显示,7 nm 栅长 MoSiGeN4 FET 的开态电流达到 1030 μA/μm,更接近 HP 标准;5 nm 栅长器件开态电流达到 1015 μA/μm,超过 HP 标准约 12.8%。同时,MoSiGeN4 器件的亚阈值摆幅优于对照材料,说明面外极化有助于提高栅控效率。 图 2. 单层(a)MoSi2N4、(b)MoSiGeN4 和(c)MoGe2N4 的顶视图、侧视图及能带结构,虚线标记的菱形代表晶胞。(d)双栅极场效应晶体管的示意图。(e)7 nm 和(f)5 nm 栅长 MoSi2N4/MoSiGeN4 和 […]

Janus MoSi2N2P2 单层在纳米器件和光电晶体管中的应用

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研究背景 二维 MA2Z4 材料因具有优异的热稳定性、力学稳定性、可调电子结构和较高载流子迁移率,已成为低维电子学和光电子学中的重要候选体系。Janus 结构通过在材料上下表面引入不同原子层,打破面外对称性,为调控能带、极化、输运和光响应提供了新的自由度。此前 Janus MoSi2N2P2 的稳定性和光学性质已有理论预测,但其电子输运、场效应调控和光电响应等器件行为仍需进一步阐明。 研究内容 该研究首先构建了 α1 和 α2 相的 MoSi2N2P2、Mo(SiNP)2-A 和 Mo(SiNP)2-B 单层,并对其进行结构优化。声子谱、AIMD 热稳定性和弹性常数计算表明,这些二维单层具有良好的结构稳定性、热稳定性和力学稳定性。其中 MoSi2N2P2 单层兼具较好的柔性和尺寸稳定性,适合进一步用于柔性、超薄纳米电子器件的设计。 图 1. α1 和 α2 相的 MoSi2N2P2、Mo(SiNP)2-A 和 Mo(SiNP)2-B 单层的俯视图和侧视图(不同颜色小球分别表示 Mo、Si、N 和 P 原子) 在电子结构方面,能带和态密度结果显示,MoSi2N2P2 单层具有较窄带隙,有利于低电压下载流子注入和调制。进一步计算载流子迁移率,发现 Janus MoSi2N2P2 在 x 方向的迁移率高于 y 方向;其中 α1 相在 x 方向的载流子迁移率相较 MoSi2N4 有明显提升,并可与 MoSi2P4 的性能相媲美。 图 2. MoSi2N4、MoSi2P4 以及不同 Janus MoSi2N2P2 相关单层的投影能带结构和态密度。 随后,构建基于 Janus MoSi2N2P2 的 p-n 结二极管,并分别考察 zigzag 与 armchair 方向的电子输运特性。结果表明,该类器件具有明显整流效应;其中 α1 相 Z-type p-n 结在中等掺杂浓度下峰值电流密度达到 270.37 mA/mm2,并表现出负微分电阻现象,显示其在低维整流器和多值逻辑器件中的应用潜力。 […]

QuantumATK 低维电子材料与器件合集(八)

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Cs3Cu2I5 中双功能氨基酸的烷基链工程实现优异的光电性能 无铅的 Cs3Cu2I5 钙钛矿具有低维结构和自捕获激子发射的特点,在可持续光电子学方面具有重要的前景。虽然机械球磨有环境友好和可扩展的优势,但合成 Cs3Cu2I5 的光电性能往往受到铣削过程中引起的晶格畸变、表面缺陷和颗粒团聚的限制。为了克服这些挑战,通过理论计算和实验验证相结合的方法,提出一种基于氨基酸的烷基链工程钝化策略。密度泛函理论表明,多功能氨基酸和烷基链协同钝化了 Cs3Cu2I5 表面缺乏配位的 Cu+ 和易于产生深层次缺陷的碘空位。有趣的是,延长的烷基链显著增强了改性效果。随后的实验和计算进一步证实,较长的烷基链通过氢键网络、位阻和内部电场与多个官能团相互作用,有效增强了光致发光、延长载流子寿命、抑制聚集、提高晶粒致密性。值得强调的是,5 – AVA 修饰的 Cs3Cu2I5 获得 75.6% 的 PLQY(增强 56.8%),延长了 12.6% 的载流子寿命,并显著增强紫外区光响应。此外,用这种分子工程绿色钙钛矿制作的光电探测器在 PDRC 和开关比方面分别提高了近 4 倍和 171%。这种理论指导的烷基链工程分子协同多官能团钝化策略为绿色合成光电性能优越、环保无铅的铜基钙钛矿建立了强大的框架。(Journal of Materials Chemistry C, 2025, 46: 23134-23148. DOI:10.1039/D5TC02973B)  单层 1T’ ZrCl2 中的铁弹性相变调制电子传输和光电特性 单层 1T’ ZrCl2 具有独特的铁弹性行为,具有三种结构不同的变体(O1、O2、O3),为下一代纳米电子和光电子器件提供了潜力。本文研究了 O1 和 O3 变体的电子输运和光电子性质,其中 O3 由于其结构对称而成为 O2 和 O3 的代表。第一性原理计算和非平衡格林函数分析表明,O1 变异体具有优异的电子特性,包括高电子迁移率(1.44 × 104 cm2/V·s)和大电流开关比(106),而 O3 变异体在两个晶体学方向上都表现出高导电性。光电性能方面,O1 变体具有较强的各向异性,最大光电流密度为 6.57 μA/mm2,光响应率为 0.37 A/W,沿 a 方向的外量子效率为 41.08%,优于许多二维材料,而沿 b 方向的响应可以忽略不计。相比之下,O3 变体表现出更平衡的光响应,在两个方向上具有相当的性能。这些发现为铁弹性二维材料的结构-性能关系提供了见解,并为开发基于相变的多功能器件铺平了道路,这些器件可用于信息处理、能量转换和传感。(Physical Chemistry Chemical Physics, 2024, 3: 1648-1660. DOI:10.1039/D4CP04315D) 二维 Si2Te2 单层及 Si2Te2/Sb2Te3 异质结:有前景的红外光电探测器材料 近年来,基于硅的二维材料(如 Si2Te2 单层和 Si2Te2/Sb2Te3 范德华(vdW)异质结)的实验实现,因其具有窄带隙特性而被广泛应用于光电设备中,这对红外(IR)光谱范围至关重要。本文基于密度泛函理论计算和非平衡格林函数模拟,系统研究了 Si2Te2 单层及 Si2Te2/Sb2Te3 vdW 异质结的光电性能,揭示 Si2Te2/Sb2Te3 vdW 异质结的堆叠构型、化学键合特征及电子结构。此外,p-i-n 结的模拟结果表明,Si2Te2 单层在中红外区域实现了高达 0.64 A W-1 的最大光响应率,同时保持良好的光电流密度。值得注意的是,基于 Si2Te2/Sb2Te3 vdW 异质结的 p-i-n 结在近红外区域达到了显著的最高光电流密度 27.33 A m-2 和 1.24 A W-1 的光响应率。这项工作有望为利用基于 Si2Te2 的二维材料设计高性能红外光电探测器提供宝贵的见解。(Journal of Materials Chemistry C, 2025, 30: 15372-15383. DOI:10.1039/D5TC01609F) 二维 Bi2O2S 中的线缺陷强红外区域光电流 二维 Bi2O2S 是近年来实验合成的一种离子层状材料,本研究结合密度泛函理论和非平衡格林函数方法,研究了二维 Bi2O2S 中吸附型、空位型、反位型和交换型线缺陷的结构、电子和光电性质。结果表明,吸附型线缺陷能增强二维 Bi2O2S 的热力学稳定性,而空位型和交换型线缺陷则会削弱其热力学稳定性。然而,反位型线缺陷具有复杂的热力学行为。线缺陷通常会对二维 Bi2O2S 的空穴有效质量产生巨大影响,并观察到线缺陷诱导的金属化现象或可调带隙。此外,线缺陷在可见光区具有丰富的光电子特性,在紫外区则抑制光电流。特别的是,在红外区域发现了增强的光电流。(Journal of Materials Chemistry C, 2024, […]

面向亚 5 nm MOSFET 的 Si 兼容高性能二维纳电子器件

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研究背景 随着集成电路器件尺寸持续向亚 5 nm 尺度推进,传统硅基 MOSFET 在短沟道效应、量子隧穿及功耗控制等方面面临严重瓶颈,难以满足未来高性能与低功耗芯片的发展需求。如何在极限尺度下实现高驱动电流、低泄漏及良好的栅控能力,并能够与现有硅基工艺相兼容,有效利用现有器件制造技术,成为下一代晶体管研究和应用亟须解决的关键问题。 研究内容 该研究针对超短沟道 MOSFET 性能提升这一核心问题,基于一类具有硅基工艺高度兼容性的二维单层材料 MNH2(M, N = C, Si, Ge),在保证高载流子输运能力的同时实现与现有工艺体系的良好兼容,为器件实际应用提供基础。该工作系统地开展了器件物理与量子输运研究,并构建适用于亚 5 nm 尺度的双栅 MOSFET 模型,深入分析其输运特性与性能极限。 图 1. MNH2单层几何结构及电子性质 研究结果表明,通过引入 Underlap 结构对沟道势垒进行调控可有效抑制短沟道效应并降低漏电流,从而在保证高导通电流的同时实现低功耗运行。通过系统分析不同结构参数对器件性能的影响,揭示了超短沟道条件下电流输运由隧穿机制向热发射机制转变的关键物理过程,从机理上实现器件性能的优化与提升。 图 2. 二维 MNH2 MOSFET 器件结构及输运特性 在器件性能方面,基于 MNH2 材料构建的 MOSFET 在亚 5 nm 尺度下表现出显著优势。在 5 nm 栅长条件下,器件导通电流最高可达 4157 μA/μm(n 型)和 3527 μA/μm(p 型),显著优于多数已报道的二维半导体器件。同时,器件的亚阈值摆幅最低可达 58 mV/dec,接近传统 MOSFET 理论极限,表明其具有优异的栅控能力和开关特性。 图 3. 二维 MNH2 MOSFET 开态电流特性比较 在动态性能方面,该类器件的延迟时间和功耗延迟积均远低于国际半导体技术路线图(ITRS)2028 指标要求,体现出良好的高速与低功耗特性。此外,在栅长进一步缩小至 3 nm 时,器件仍能够保持较高性能并满足高性能应用需求,显示出优异的尺度可扩展能力。与现有二维材料相比,该体系在驱动电流、功耗及综合性能方面具有明显优势,同时具备良好的工艺兼容性,为实际应用提供了重要基础。 值得注意的是,该体系呈现出良好的 n-p 对称性,适于用作 CMOS 器件。该研究系统证明了 MNH2 二维材料在亚 5 nm MOSFET 中的应用潜力,实现了高性能、低功耗与工艺兼容性的综合平衡,为后硅时代晶体管设计提供了新的技术路径和理论依据。 图 4. 二维 MNH2 MOSFET 功耗延迟积特性比较 总结 该研究面向先进微电子与集成电路领域,在下一代超大规模集成电路、低功耗高性能芯片以及新型二维半导体器件中具有重要应用前景。由于 MNH2 材料体系在电学性能与硅基工艺兼容性之间实现了良好平衡,可作为亚 5 nm 及以下节点 MOSFET 的潜在候选沟道材料,为先进制程技术提供新的解决方案。 在高性能计算、人工智能芯片以及移动终端等领域对器件功耗与性能的要求不断提升,该研究提出的材料与器件有望显著提升芯片能效比。同时,由于其 n 型和 p 型器件性能均衡,具备良好的 CMOS 集成潜力,可支持未来新型逻辑器件的发展。随着后硅时代电子技术的持续演进,该成果有望在纳米电子器件及高端芯片制造中发挥重要作用,具有良好的应用前景与推广价值。 参考文献 Hao-Ran Hu, Yan-Dong Guo, et al. Monolayer MNH2 (M, N = C, Si, Ge): Enabling sub-5-nm MOSFETs compatible with silicon-based manufacturing. Physical Review Applied, 2026, 25, 014058 […]

基于统计形状模型的成人二尖瓣形态变异

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概述 二尖瓣反流(MR)影响着全球超过 2400 万人,是发病和死亡的主要原因之一。若不及时治疗,可能会进展为心房颤动、肺动脉高压,最终导致心力衰竭。经导管二尖瓣置换术(TMVR)因二尖瓣解剖结构的复杂性和高度变异性而面临独特挑战。为确保手术成功,TMVR 器械必须实现安全锚定、有效封堵和左心室流出通畅。然而,目前的临床前设计范式因对人群水平的二尖瓣解剖变异性认识不足而受到阻碍。 统计形状模型(SSM)为量化解剖结构变异性和构建具有代表性的 3D 解剖虚拟患者队列提供了一个稳健的框架,可作为生物力学计算机模拟临床试验的基础。本研究利用 72 例成人的前瞻性心电门控对比增强冠状动脉 CT 血管成像(CCTA)扫描数据开发了一个二尖瓣的统计形状模型,主成分分析揭示了形状变异的主要模式,与文献中已报道的解剖模式一致,验证了模型的生理相关性。SSM 能够有效捕捉二尖瓣的几何多样性,无需对标志点或线性测量的重要性做出任何预设,结果证明了 SSM 由现有扫描数据生成虚拟患者群体的实用性。这些发现支持将 SSM 整合到用于临床前测试、器械设计和个性化医疗的建模流程中。 图像处理 选取 orCaScore 数据集中 72 名成人(男女数量相等)的 CCTA 扫描数据,采用心电图触发将扫描采集同步到舒张静止期,具体为 R–R 间期的 70%(GE、西门子)、75%(东芝)或 78%(飞利浦)。值得注意的是,本统计形状模型仅反映受试者之间的解剖变异性,并不包含周期内(时间)变形。所有患者均无解剖异常、冠状动脉内支架和金属植入物,且扫描图像无严重运动伪影和高噪声水平。 使用 Simpleware 软件的心脏自动分割工具 AS Cardio 对原始 CCTA 数据进行处理,一键点击获得主要的心脏腔室。然后应用软件中的自定义后处理脚本从中分割出二尖瓣环、前叶、后叶。所有分割结果均经过人工审查,并使用 Simpleware 软件的区域生长和网格编辑工具对微小缺陷如孔洞、分割噪声或边缘伪影进行校正。 图:从 CCTA 分割到 SSM 的工作流程概述 统计形状建模 为限制扫描采集中旋转和平移变化的影响,在每个分割上手动放置四个解剖标志点应用配准算法。沿二尖瓣环的前后轴定义两个标志点:(1)二尖瓣前叶(A2 扇叶)中点之上的瓣环最上点(2)二尖瓣后叶(P2 扇叶)中点之上的瓣环最上点。其余两个标志点为与前内侧连合(A1–P1 交界处)和后外侧连合(A3–P3 交界处)对应的瓣环铰链点。将这些标志点用作最佳拟合刚性变换的点,通过迭代最小化对应点之间的距离对齐两个表面,有效消除平移和旋转差异的同时保留比例和几何形状。对对齐后的分割结果进行主成分分析(PCA),形状变异性被评估为相对于参考几何形状的顶点几何变化。 为表征样本群体中的解剖变异性,评估二尖瓣的关键几何尺寸作为沿形状模式变化的函数。测量二尖瓣前叶(AML)长度、二尖瓣后叶(PML)长度、瓣环前后径(A–P)、连合间距离(IC)和瓣膜高度(二尖瓣前叶最上点与前内侧和后外侧连合所确定平面之间的垂直距离)。使用 Simpleware 软件的测量工具和 SSM 工具包将测量值从参考模型自动映射到每个输入模型。为便于自动测量映射,从参考图像中提取代表上述测量的 […]

 
  • 面向光辅助存储的范德华多铁隧道结设计研究背景 随着人工智能、物联网和边缘计算的发展,信息器件需要在更小尺寸下实现更高密度、更低功耗和更丰富的状态编码。多铁隧道结(MFTJ)能够同时利用铁电极化和磁构型调控隧穿电流,有望通过隧穿电致电阻(TER)和隧穿磁电阻(TMR)实现多阻态非易失存储。然而,传统氧化物多铁隧道结常受到界面缺陷、接触电阻和较大电阻面积乘积(RA product)的限制,难以兼顾高开关比与低读写功耗。二维范德华材料表面无悬挂键、界面洁净,可在原子级厚度下构建高质量铁电/铁磁异质结,为低 RA、多阻态自旋电子器件提供了新的材料平台。该研究基于第一性原理和 DFT-NEGF 输运计算,提出由半金属 CoGa2Se4 电极夹持铁电双层 Ga2Se3 的 Cu/CoGa2Se4/bilayer-Ga2Se3/CoGa2Se4/Cu 范德华反铁电多铁隧道结(AFMFTJ)。研究重点在于揭示铁电极化如何驱动界面准欧姆/肖特基接触转换,并进一步实现巨 [...]
  • QuantumATK 磁性与自旋电子学合集(八)交错磁体 CrSb 基磁性隧道结中的自旋依赖输运 交错磁性是一种新兴磁有序态,兼具铁磁体的自旋极化和反铁磁体抵抗磁扰动的能力,为突破传统自旋电子器件的性能瓶颈提供了新途径。本文聚焦交替磁体 CrSb,通过对称性分析和密度泛函理论计算,揭示其三维布里渊区内由实空间旋转与镜面操作保护的自旋极化能带结构,并分析自旋轨道耦合对能带简并的调控作用。结合非平衡格林函数方法,研究基于 CrSb 的交错磁性隧道结的量子输运性质。结果表明,采用 2.196 Å 真空势垒时,费米能级附近的隧穿磁阻比达到 [...]
  • 电场执笔、层自由度传信:一体化交错磁隧道结实现全电控读写研究背景 交错磁体(altermagnet)兼具反铁磁体与铁磁体的优势:在实空间中具有补偿的磁矩,因而几乎不产生杂散场;同时又能在动量空间中形成非相对论性自旋劈裂,为自旋选择性输运提供基础。这些特性使交错磁体成为高密度、低功耗自旋电子器件的重要候选材料。 磁隧道结通常通过平行态(P)和反平行态(AP)之间的电阻差异存储和读取信息。在已有交错磁隧道结方案中,这两种状态往往依赖 Néel 矢量翻转来切换。然而,交错磁体的总磁矩严格补偿,利用自旋转移力矩(STT)或自旋轨道力矩(SOT)实现确定的 Néel 矢量翻转仍然困难,复杂的界面结构还可能带来效率损失和额外的能耗。研究关注的核心问题是:能否不翻转 Néel 矢量,只借助电场就完成交错磁隧道结的写入与切换? 为此,研究者把目光转向具有自旋—层耦合的双层交错磁半导体 V2Se2O。该体系的上下两层具有符号相反的自旋极化。零电场下,空间反演与时间反演的联合对称性使能带保持整体自旋简并;施加垂直电场后,层间电势差打破这一对称性,隐藏的自旋劈裂便可在不同层上显现。只需反转电场方向,就能够反转自旋劈裂的符号,而 Néel 矢量则始终不变。 图 1.(a)双层 V2Se2O [...]
  • 基于图像的 C/SiC 复合材料在多次电弧射流暴露下的可重复使用性评估概述 可重复使用热防护系统(TPS)对于确保飞行器在反复承受高热流和氧化环境条件下的任务可靠性至关重要。应用于鼻锥和前缘的 TPS 必须由具备优异高温性能和抗氧化能力的热防护材料(TPMs)构成。碳/碳化硅(C/SiC)复合材料因其优异的抗氧化和抗烧蚀性能以及卓越的高温力学性能,被认为是可重复使用热防护系统的理想候选材料。 本研究建立了一种基于图像的评估程序,用以评估 TPMs 在多次电弧射流暴露下的可重复使用性。采用 0.4  MW 电弧加热风洞对针刺结构碳/碳化硅(NP-C/SiC)复合材料进行电弧风洞试验,以模拟大气再入条件。施加 [...]
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