AMS 应用于发光显示材料研究案例集（三）

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第二激发态三重态通过热激活反向内转换促进 TADF 和三重态-三重态湮灭光子上转换 近年来，由于 TADF 材料的高激子利用效率、低生物毒性等，TADF 有机发射体数量激增。然而现有的 TADF 通道在设计高性能材料方面还不够完善，特别是高位三重态介导的反向系间交叉过程。本文报道了一种热激活的反向内转换（TARIC）途径，该途径可以通过势能面锥形交点，实现从 T1 状态到 T2 状态的有效转移，势垒为 3.81 kcal mol−1。 在此基础上，介导的 T2 态促进了 TADF 和三重态-三重态湮灭光子上转换（TTA-UC）通道。此外，得益于TARIC途径，设计的 2′,7′-二氯荧光素（DCF）衍生物 DCF-MPYM-Me 光敏剂具有 13.6% 的优异上转换效率，高上转换效率对不含重原子的纯有机 TTA-UC 体系 TADF 光敏剂来说至关重要。 The Second Excited Triplet-State Facilitates TADF and Triplet–Triplet Annihilation Photon Upconversion via a Thermally Activated Reverse Internal Conversion, Yanliang Zhao, Yingnan Wu, Wenlong Chen, Ruiling Zhang, Gaobo Hong, Jiarui Tian, Honglei […]

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AMS 应用于发光显示材料研究案例集（二）

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电荷转移态中的自旋轨道耦合 阿姆斯特丹大学的研究人员研究了电子供-受体分子的扭曲对性质的影响。对于包含芘受体和二甲基苯胺供体的电子供体-受体体系，确定了自旋轨道耦合矩阵元（SOCME）、电荷分离的电子耦合，对构象的依赖性。 对热激活延迟荧光（TADF）、光动力疗法、三重态发光二极管而言，自旋轨道耦合效应起着决定性影响。作者在动力学和能量角度，讨论了旋-轨电荷转移系间窜跃 (SOCT-ISC) 机制，包括经典Marcus电子转移理论中，电荷分离、电荷复合的相关参数。自旋轨道耦合，在电荷复合到三重态过程中起着重要作用，可以通过TD-DFT 进行探索，同时TD-DFT也为理解和预测 SOCT-ISC 机制提供了有效途径。该研究用丙酮和 4-硫代胸腺嘧啶的自旋轨道耦合矩阵元作为基准。 关于这项工作的三个报告的视频资料，可以辅助读者理解如何在自己的工作中使用类似的方法： 芘-二甲基苯胺正交电荷转移态的自旋-轨道耦合_René Williams 使用计算化学来描述和理解SOCT-ISC机制_Davita van Raamsdonk 正交电荷转移态中的自旋轨道耦合_Shivan Bissesar 所有 ADF 输入文件（链接）。 Bissesar, D. M. E. van Raamsdonk, D. J. Gibbons, R. M. Williams, Spin Orbit Coupling in Orthogonal Charge Transfer States: (TD-)DFT of Pyrene-Dimethylaniline. Molecules 2022, 27 (3), 891. 热激子基 TADF 分子设计的理论探讨 近年来TADF过程的研究取得了诸多突破，但要进行更高效率和量子产率的TADF分子设计，还需要更多深入的理论机理上的研究。与传统（冷）TADF一样，基于热激子的TADF材料也可以有效地利用单重态和三重态激子，理论上产生100%的IQE。与冷TADF（从低激发T1到S1）不同，热TADF中的RISC过程发生在高激发三、单重激发态（Tm（m>1）与Sn（n>1））之间。设计满足热激子形成条件的材料，例如低三重态之间能隙足够大，而高激发单-三重态能级间隙足够小，仍然是相当困难的。 印度SRM大学化学系Jesni M Jacob、Mahesh […]

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AMS 应用于发光显示材料研究案例集（一）

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Ru(II)-(双齿环金属化芳香配体)发色团的固有77K磷光特性和计算模型：其相对较低的非辐射速率常数源于发射态和基态之间的低自旋轨道耦合驱动的振动耦合振幅 作者研究了 Kasha 型发射 Ru（双齿环金属化芳香配体）、[Ru(pzpy)2(CM)]+ 离子发色团（CM=1-苯基异喹啉、2,3-二苯基吡嗪和1,4-二氮杂三苯撑，pzpy=2-吡唑-1-基吡啶）的光诱导弛豫。这是首次报道纯 Ru-（双齿 CM）发色团的磷光行为。磷光发色团的 77 K 光诱导弛豫特性表明，在 670-900 nm 的发射区域，发射量子产率高于参考 Ru-bpy（bpy=2,2′-联吡啶）发色团。Ru-CM 发色团的这种现象可以归因于它们在 77 K 非辐射速率常数（kRAD）下的异常低的幅度，尽管它们的辐射速率常数并不显著。为了研究 Ru-CM 和 Ru-bpy 发色团之间 77 K 光诱导行为弛豫的差异，我们使用了计算模拟，应用了 kRAD 的基本形式和与温度无关的 kRAD 方程，其中包括计算的自旋轨道耦合值。 Intrinsic 77 K Phosphorescence Characteristics and Computational Modeling of Ru(II)-(Bidentate Cyclometalated-Aromatic Ligand) Chromophores: Their Relatively Low Nonradiative Rate Constants Originating from Low Spin−Orbit Coupling Driven […]

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AMS 辅助药物研究案例集（一）

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药物工艺开发中溶解度预测模型的评估（阿斯利康） 在合成药物工艺开发中的许多单元操作设计中，溶解度是一个重要属性，然而直接测量潜在溶剂、混合溶剂中的溶解度，有时候并不理想或实用。在制药工业中投入使用的，包括有几种预测化合物在有机溶剂中溶解度的理论模型。ETC(Enabling Technologies Consortium) 合作，需要进行溶解度模型标准测试，以便指导溶解度模型的更好使用。 阿斯利康的研究人员针对一组较为广泛的溶质-溶剂组合，包括24 种溶质和80 种溶剂、混合溶剂，对多种溶解度模型进行了评估。作为 ETC 内部共同努力的一部分，对乙酰唑胺、咖啡因、西咪替丁、桂利嗪、格列本脲、奥美拉唑、扑热息痛、吡罗昔康、利培酮和糖精进行了测量。ETC 合作参与者额外提供了的溶解度的一些内部数据，涵盖了更有限的溶剂范围。 溶解度模型的方法各不相同，包括从第一性原理模型（COSMO-RS 和 COSMO-SAC）到回归模型（R-UNIFAC 和Lovette-Amgen模型）等。作者使用不同的适应度测量，对每种模型的性能进行了广泛的评估。 尽管作者提出了几种不同的性能指标（如准确性、RMSE和MCC），但没有一种指标能够完美地捕捉模型在所有预期情况下的适用性。建议研究者评估每个指标在其预期应用中的重要性，并根据所需数据规模和应用模型的能力来平衡评估。 结果表明，溶解度模型确实可用于化学过程开发，这些模型在性能方面非常具有吸引力。通过有效的初步筛选，能够产生较小的潜在溶剂和溶剂混合物集，以便进一步筛选，而且在后期开发中，能够识别和消除二元体系协同溶解度效应的潜在影响。 从这些模型的总体趋势来看，使用的实验数据越多，总体性能改善越大。使用DSC或参考溶解度时，基于ADF-COSMO的模型通常是最准确的。R-UNIFAC模型在不同任务中的表现各不相同，只有从参考溶剂和多态性处理的选择上将它们区分开来。Lovette-Amgen模型在单溶剂系统的大多数评估中表现得异常出色（使用数据训练了该模型），但二元溶剂评估方面显著落后（数据未用于训练模型）。 Evaluation of Predictive Solubility Models in Pharmaceutical Process Development─an Enabling Technologies Consortium Collaboration, Michael A. Lovette, Jacob Albrecht, Ravi S. Ananthula, Francesco Ricci, Rahul Sangodkar, Mansi S. Shah, and Simone Tomasi, Cryst. Growth Des. 2022, DOI: 10.1021/acs.cgd.2c00368 […]

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AMS 辅助药物研究案例集（二）

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铋烯和锑烯作为顺铂药物载体的理论比较研究 有效的靶向递送是纳米医学中抗癌药物递送的一个挑战，本项研究主要使用 DFT 方法，研究铋和锑纳米片作为顺铂抗癌的纳米载体的可能性。结果表明，与锑烯相比，铋烯表现出明显更好的物理稳定性、药物释放速率、溶解度和生物相容性，使其成为药物递送系统的优秀候选者。 抗癌药物的平行和垂直取向吸附在两个纳米片上；平行构型在能量上最为有利，平行位点的吸附能为-0.79eV。电子电荷分析和 DOS 计算也揭示了从药物到铋烯片的电荷转移，从而证实了药物的有效吸附。作者通过模拟药物和吸附位点附近的载体表面的受到质子攻击，来模拟药物的释放，结果显示出铋烯在药物释放机制方面的稳定性和潜力。 此外，通过研究其与生物分子的相互作用，分析药物分子与氨基酸的相互作用，发现药物能够有效发挥作用。关于功函数、恢复时间、电子局域函数和前沿分子轨道分析，进一步确认了铋烯相对于锑烯的优势。这些全面的评估表明，双马苏碱是一种更具前景的抗癌药物纳米载体，并为提高癌症治疗策略的疗效开辟了一条潜在的途径。 Insights into bismuthene and antimonene as cisplatin drug carriers: A theoretical comparative investigation, Chemical Physics, 2025, Volume 588, 112460 应用萜类深共晶溶剂去除水中的抗生素和染料：理论预测、实验验证和量子化学评估（四川大学） 本研究提出了一种理论预测方法和机理研究，用于使用萜类深共晶溶剂（DES）从水性介质中提取抗生素和染料。首先，应用 COSMO-RS 方法预测了26种萜类DES提取抗生素（四环素类、磺胺类、喹诺酮类、β-内酰胺类）和染料等15种目标化合物的选择性、容量和性能指标，百里酚苯甲醇对目标化合物显示出有前景的理论选择性和提取效率。 此外，氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）的结构都对预测的提取性能有影响，可以通过调整具有更高极性、更小分子体积、更短烷基链长度和芳香环结构等的候选物来提高提取性能。根据 σ-Profile 和 σ-Potential 所揭示的预测分子相互作用，具有 HBD 能力的 DES 可以促进分离过程。此外，实验验证证实了所提出的预测方法的可靠性，表明理论预测的提取性能指标的趋势，与使用实际样品的实验结果相似。 最后，基于可视化表示、热力学计算和拓扑性质，通过量子化学计算对提取机理进行了评估；目标化合物显示出良好的溶剂化能量，可以从水相转移到 DES 相。 所提出的方法已被证明有可能为环境研究中具有类似绿色溶剂分子相互作用的更多应用（如微萃取、固相萃取、吸附）提供有效的策略和指导。 How to apply terpenoid-based deep eutectic solvents for removal of antibiotics […]

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结合 Micro CT和纳米压痕表征冻融喷射混凝土的微观结构损伤演化

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一、概述 喷射混凝土可广泛应用于钢筋混凝土挡土墙、地下结构、损坏桥梁修复、公路结构和水坝等受损结构的施工和修复，因此对其耐久性的研究变得越来越重要。在寒冷地区经常遭受冻融（F-T）条件，导致霜冻引起的损伤、质量损失以及模量、强度和断裂韧性的降低。研究微观结构的演变对于了解喷射混凝土在循环 F-T 条件下的劣化机制至关重要。本研究通过结合纳米压痕和 X 射线 Micro CT（NI-MCT）的集成统计方法表征喷射混凝土的微观结构损伤及其在 F-T 作用下的演变。 二、试样制备和扫描 本研究所用喷射混凝土试样由水泥、硅粉、磨细高炉矿渣（GGBFS）、骨料、沙子和水混合。使用减水剂和引气剂改善喷射混凝土的可加工性和抗 F-T 性。制备 24 个尺寸为 75 × 100 × 400 mm 的试样进行快速 F-T 试验，循环温度为 -18 至 4 ℃，一个循环的时间为 4 小时。 为描述细观尺度的微裂缝扩展，从 0、150、300、450 和 600 次 F-T 循环的试样中切下 5 个尺寸为 10 × 10 × 10 mm的试样进行高分辨率 Micro CT 扫描。在界面过渡区（ITZ）损伤表征中，从 0、300 和 600 次 F-T 循环的试样中切下 […]

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Bumblebee – OLED/OFET 器件模拟平台

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通过输入分子材料、聚合物材料的性质数据，建立材料堆叠结构三维模型，使用三维动力学蒙特卡洛方法，模拟堆叠结构中的电流-电压性质、激子的各向随机传输、分布，转化为激发态发光微观过程的宏观统计，以及载流子如何在 OLED 层内移动、分布，得到像素的发光颜色区域分布、效率，并支持模拟器件寿命特性，研究器件随时间的退化。 模拟分子材料层层堆叠为像素后的发光特性 它有助于研究人员了解缺陷形成、材料老化，这对提高器件效率和寿命至关重要。Bumblebee能够大幅度降低 OLED/OFET 器件研发成本和上市时间。 Bumblebee 早期主要以云服务的形式为全球主要 OLED 生产商服务。2024 年 SCM 公司完成对 Bumblebee 的收购，考虑中国中国对跨国云服务安全性的重视，因此改版为软件服务，软件部署于用户本地进行模拟。作为 SCM 中国唯一合作伙伴，费米科技负责 Bumblebee 在中国市场的相关事务。 OLED/OFET 器件堆叠结构设计的重要性 器件的行为、性能、寿命不仅仅受材料影响，也直接受堆叠结构本身的影响，如果不提堆叠结构，就不可能说一种材料比另一种材料好 没有一种完美的材料能在所有情况下都起作用 一种材料在一个堆栈中表现很好，在另一个堆栈上表现很差 通过模拟，能预测、帮助改进特定堆栈所需的材料特性 堆叠设计可以帮助减少器件的缺点 材料一般并不完美，堆叠设计可以帮助最大限度地减少某些损失 可针对特定应用（例如，显示器、照明、汽车等）优化器件 堆叠设计需要满足： 高效 对某些参数（例如生成过程中的必然存在的微小变化）不太敏感 Bumblebee模拟激子在OLED材料层间的传输与发光 Bumblebee 的优势 三维蒙特卡洛方法模拟电学微观过程，比一维飘移扩散模型更准确 与标准动力学蒙特卡罗实现相比，新算法将计算成本降低了 10-50 倍 时间+三维结合，独特视角查看 OLED 器件的运行过程 使用方便：基于网页的图形界面建模与输出 Bumblebee 的功能 Bumblebee 视频介绍（B站） Bumblebee 用户界面概览（B站） 堆叠结构优化 结构优化：使用内置参数筛选、优化工具，对器件堆叠结构进行优化 堆叠材料：能够考虑主客体分布、堆叠层间的界面效应、考虑掺杂剂的梯度分布、聚合物堆叠形态 能够考虑分子无序和长程静电相互作用 光电特性 模拟最先进的 […]

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肿瘤电场治疗全胸模型中非小细胞肺癌的计算分析

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一、概述 非小细胞肺癌（NSCLC）占肺癌中的大多数，标准治疗方法有手术、放射治疗和药物治疗，包括细胞毒性化疗、靶向药物或根据肿瘤分子分型结果的免疫治疗。然而对于许多患者来说，不良反应往往会限制某些临床护理选择并降低生活质量。肿瘤电场治疗（TTFields）采用频率为 150 至 200 kHz 的交变电场，通过 2 对彼此正交放置的换能器阵列连接便携式电场发生器从外部施加到身体，在肿瘤细胞有丝分裂时破坏肿瘤细胞发挥抗癌作用。 TTFields 的疗效最初是在胶质母细胞瘤中进行研究，结果显示它可以延长新诊断患者的生存期。然而，人们对胸腔内 TTFields 的传播了解甚少。与浸泡在高导电性脑脊液中的大脑不同，肺泡和支气管内的空气是一种非导电介质，可能会改变 TTFields 的行为。本项目获取 4 名低分化肺腺癌患者的正电子发射断层扫描和计算机断层扫描图像数据集，通过图像处理创建大体肿瘤体积（GTV）、临床靶区（CTV）和从胸部表面到胸腔内的结构，然后使用有限元模拟研究电场的穿透能力和分布特性。 二、模型准备和模拟 2.1 图像获取 从癌症中心获取 4 名 NSCLC 患者的 DICOM 成像数据，用于回顾性影像学分析。本研究使用计算机断层扫描（CT）和正电子发射断层扫描图像，在 Simpleware 软件中对胸部各种组织的 CT 图像进行分割，然后与正电子发射断层扫描数据进行配准以勾画出 GTV。模型的准确性高度依赖于输入参数和用于勾画各种解剖结构的图像分辨率，因此在分割前将每个图像数据集超采样为 1 × 1 × 1 mm 的分辨率，使用切片之间的最近邻插值最大限度地减少体素边缘效应。 2.2 图像分割 胸内组织在患者个体间并不均匀，包括但不限于各种胸肌、皮质骨、松质骨、血管、气腔和心脏结构。单独分割气道结构（如隆突、气管）和血管（如下腔静脉、上腔静脉）作为空间参考的解剖标志。由于每个 GTV 的位置独特，模型之间存在 TTFields 异质性。在每个 GTV 周围均匀扩展 3 mm 作为 CTV，从而包含放射影像中不一定能检测到的亚临床微观疾病。将 CTV 和 GTV […]

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光开关顺铂类似物的光控抗癌活性和细胞摄取（J. Med. Chem 2024）

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摘要 波兰雅盖隆大学等，用两个芳基偶氮吡唑配体合成了光敏顺铂类似物，能够进行反式-顺式/顺式-反式光异构化。顺式光异构体的半衰期为9天。作者在几种癌症和正常细胞系中，测定了复合物的两种光异构体的细胞毒性，并与顺铂的细胞毒性进行了比较。该复合物的反式光异构体，比顺式光异构物和顺铂更具细胞毒性，对癌症（4T1）的毒性比对正常（NMuMG）小鼠乳腺细胞的毒性更大，能够造成 4T1细胞的坏死。4T1 细胞内化的反式和顺式光异构体的光异构化分别增加和降低了存活率，反式光异构体的细胞摄取强于顺式光异构物和顺铂。这两种光异构体与DNA的相互作用比顺铂更快。反式光异构体与牛血清白蛋白的结合更强，诱导细胞谷胱甘肽水平的降低幅度大于顺式光异构物。 相关计算采用AMS软件ADF模块完成。 参考文献 Light-Controlled Anticancer Activity and Cellular Uptake of a Photoswitchable Cisplatin Analogue, J. Med. Chem. 2024, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.4c01575

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苯基邻位连接供-受体的苯并噻唑基二氟化硼化合物空间调控，用于OLED的TADF发光材料（ACS Appl. Mater 2024）

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摘要 乌克兰利沃夫国立理工大学设计、合成了两种咔唑电子供体、苯并噻唑稠合硼杂环受体，通过苯邻位连接的染料，并对其进行了光谱研究。由于硼杂环单元的空间效应，染料在晶态时表现出不同的构象。分子间大量氢键作用、分子堆积中非常弱的π-π堆积，导致强烈的固态发光，晶体的光致发光量子产率分别为40%和18%，基于主体的发光层的光致荧光量子产率为50%和42%。 这些化合物显示出聚集诱导发光和热激活延迟荧光（TADF）。电离势（IP）和电子亲和势（EA）值表明，所开发的染料具有良好的电荷注入能力和双极电荷传输性能。通过渡越时间测量，检测了染料层中的空穴和电子的传输。苯并噻唑基二氟化硼配合物在1.35 × 106 V cm-1 的电场下显示出1.5×10-4 和 0.7×10-4 cm2 V-1 s-1 的高电子迁移率。因此这些染料用作有OLED的发射体是非常成功的，其外部量子效率分别为 15% 和 13%。我们的研究标志着固态发射二氟化硼染料领域的一个关键进展，该染料可以作为 TADF 发射器应用于OLED。所得结果表明，苯邻位连接供体-受体染料中，受体单元的取向对 TADF 活性有显著影响。 其中逆向系间窜跃速率、自旋轨道耦合矩阵元，采用AMS软件中ADF模块计算得到。 参考文献 Sterically Tuned Ortho-Phenylene-Linked Donor–Acceptor Benzothiazole-Based Boron Difluoride Complexes as Thermally-Activated Delayed Fluorescence Emitters for Organic Light-Emitting Diodes, ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, DOI: 10.1021/acsami.4c12662

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  • 基于离域激子特性实现完全可逆的单超原子光电子开关研究背景 在信息技术飞速发展的背景下，电子器件正朝着微型化、集成化、多功能化、智能化及网络化方向不断演进。其中，微型化与集成化是支撑这一趋势的关键基础。从原子与分子尺度出发构建功能器件，不仅顺应了器件尺寸持续缩小的需求，也为在原子层面探索材料的本征特性与量子效应提供了独特平台。团簇作为介于原子、分子与宏观凝聚态物质之间的新兴结构层次，是由数个至数千个原子、分子或离子通过物理或化学作用形成的稳定微观聚集体。它们具备精确的化学组成与原子排列，表现出显著的量子尺寸效应与类分子特性。原子精度可控的配体保护金属纳米团簇不仅保留了裸团簇的类分子电子结构，还具有制备工艺简便、环境稳定性高等优点，被视为在室温条件下实现单分子光电子器件大规模制备最具潜力的功能材料之一。 研究内容 扬州大学裴玮副教授和华南师范大学周思教授课题组合作，采用含时密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，以双膦配体保护的 Au13 超原子团簇为母体结构，通过掺杂原子与 Au12 空笼间的电子耦合诱导形成独特的超原子构型，从而改变了光激发过程中电子转移的能垒。具有 18 个价电子的超原子团簇表现出显著的激子离域特性，并因此产生较大偶极矩。通过与金电极经由卤化物连接体实现共价键合，所构建的单团簇结在低栅压（0.50 [...]
  • 交错磁中相干隧穿磁阻的异常厚度缩放特性研究背景 磁隧穿结（MTJ）是自旋电子学中的基本组成部分，通过巨磁电阻效应实现非易失性存储功能。减小 MTJ 厚度是提升存储密度、高速操作和自旋轨道耦合效率的关键。最近，新型磁体–交错磁（AM）材料因具有在实空间和动量空间中的交替自旋极化受到了广泛关注，它们表现出巨大的自旋劈裂而不具备净磁矩，成为超紧凑型 MTJ 集成的理想平台。在传统 MTJ 中，隧穿磁阻（TMR）通常会随着势垒厚度的增加而增大，这是因为反平行态下电子的隧穿衰减速度比平行态更快。本工作揭示了一种在交错磁隧穿结（AMTJ）中 TMR 随着势垒厚度增加而减小的反常规律，这是由于交错磁的能带中自旋简并部分形成了一条在反平行态下无法被抑制的隧穿通道，该现象进一步在二维 V2Te2O/Cr2Se2O/V2Te2O 和 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 中得以验证。 研究内容 本文首先对 AMTJ 的 TMR 随着厚度变化的物理机理进行理论分析并提出双势垒模型，将自旋劈裂的费米面分为外部区域 A 和中心区域 B。在 AP 配置中，左右电极的 Néel 矢量是反平行的，区域 A 的自旋匹配问题使得该区域的电子透射可以有效抑制，被称为有效区域。而区域 B 的传输通道在 AP 配置下仍然保持开启，因为自旋分裂的两个费米面重叠，形成了一个自旋简并的传输通道，在 P 和 AP 状态下都保持开放，也被称为无效区域。根据隧穿理论，TMR 随着中间层厚度的变化可以用以下公式表达： 其中 kA 和 kB 分别为区域 A 和区域 B 的衰减系数。本文探讨了两种情景下的 TMR 行为：当 kA 小于 kB 时，TMR 随势垒厚度增加而增加，符合传统的缩放规律；而当 kA 大于 kB 时，表现为反常的缩放现象。 图1.（a）传统 MTJ 和（b）AMTJ 中的隧穿机制；（c）平行态配置中，区域 A 和 B 的电子态都参与隧穿；（d）反平行配置中，区域 A 的电子态传输被抑制，但区域 B 的电子态仍有传输。 随后采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，研究具有不同势垒厚度的 V2Te2O/Cr2Se2O/V2Te2O 和 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 器件以验证这一反常规律。首先，通过计算能带结构，V2Te2O 和 Cr2Se2O 分别为二维交错磁金属和交错磁半导体，且均具有 d 波各向异性。 [...]
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