《Physics Reports》长篇综述:亚10纳米二维晶体管

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背景 场效应晶体管被公认为上世纪最重要的发明之一。基于互补金属氧化物半导体(CMOS)场效应晶体管的大规模集成电路是信息时代的基石。在过去的半个多世纪,遵循摩尔定律,FET的尺寸不断缩小,芯片上FET数量得以不断增加,芯片功能日趋多元化。如今,市场上的硅基晶体管尺寸已经降至18 nm栅长。由于受到短沟道效应的影响,继续缩短栅长,器件性能会大幅度下降,这引发了半导体业界对于摩尔定律失效的担忧。相比于三维体材料,二维半导体具有良好的静电控制能力(体现在极小的特征长度λ)和载流子传输能力(图 1)。基于二维半导体沟道的晶体管有可能在避免器件性能明显下降的前提下,将栅极长度缩小到10纳米以下。许多亚10纳米栅极长度的晶体管在实验室中已经制造出来了。其中,二维晶体管显示出巨大的技术潜力,可以很好地工作。国际半导体技术发展路线图(ITRS)及其继承者国际器件与系统路线图(IRDS)把二维材料列为替代硅的潜在沟道材料。 实验制备亚10 nm栅长的二维晶体管是一项极具挑战的工作,而理论上预测可剥离的二维材料种类高达千余种。因此,需要找到精确且不依赖参数的理论工具评估二维晶体管的性能。基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法相结合的第一性原理量子输运模拟可以严格计算原子间的跃迁矩阵元,无需人为设置参数;利用它来评估亚10 nm二维晶体管性能,可以在极大节约研发成本的同时保持较高的预测精度。 研究工作 北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室吕劲研究员课题组系统地发展了按照ITRS和IRDS标准采用原子级上无参数的第一性原理量子输运模拟精确评估二维半导体晶体管性能的研究范式,相关系列研究成果发表于《物理评论应用》(Physical Review Applied 14: 024016 (2020); 10: 24022 (2018))、《纳米尺度》(Nanoscale 11: 532 (2019))、《美国化学会▪应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interfaces 9: 3959 (2017))、《材料化学》(Chemistry of Materials 29: 2191 (2017))、《先进电子材料》(Advanced Electronic Materials, 2: 1600191 (2016))、《纳米快报》(Nano Letters 12: 113 (2012))、《亚洲材料》(NPG Asia Materials 4: e6 (2012))等。前不久,课题组与中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室、北京邮电大学、北京大学深圳研究生院等单位合作,应邀在《物理进展报道》(Reports on Progress in Physics 84: 056501 (2021))发表长篇综述介绍了二维晶体管界面肖特基势垒的研究进展。 近日,吕劲课题组与北京邮电大学理学院雷鸣教授、北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授等合作者再次受邀撰写题为“亚10 nm二维场效应晶体管:理论与实验”(Sub-10 […]

QuantumATK Q-2019.12新版发布

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QuantumATK Q-2019.12 版本已经于近日正式发布,作为新一代的原子级材料与器件模拟平台,新版的 QuantumATK 包含了很多激动人心的新增功能和性能改进。 密度泛函理论(DFT)计算引擎更新 DFT 平面波计算引擎性能显著提升 PAW 势平面波方法正式发布 k.p 方法快速计算能带 新增丰富的光学、电光性质和谱学分析工具 电子光谱带内贡献、拉曼光谱、二次谐波产生(SHG)极化率、红外光谱(含太赫兹区域)、电光张量 磁性体系的 Gilbert damping、轨道磁矩 核磁共振(NMR):电场梯度(EFG)和屏蔽张量 分子动力学工具更新 计算比热、导热、玻璃化转变温度 计算设置和分析工具包含大量易用性更新 全新的聚合物模拟工具 新增聚合物分子、熔体的建模和模拟工具 计算聚合物工程的热-力学和其他性质 众多性能改进 DFT 和半经验 NEGF 计算性能显著改进,可以计算更大的体系 力场经验势的并行效率大大提升,有助于大体系的模拟 图形界面更新 众多作图工具的增强和更新,更加方便的作图、导入导出数据等 新增报告产生工具用于大量模拟计算结果的提取、分析数据和对数据作图,方便、快速 平面波计算引擎日趋成熟 使用模守恒(NC)势和 PAW 势的 DFT 平面波计算引擎性能显著提升 平面波(PW)引擎支持更多计算,默认参数明显改进 可以使用 LCAO 计算对 PW 计算进行初始化,支持多方法混合计算模拟,更好的平衡计算准确性和速度 PAW 势 DFT平面波计算引擎正式发布 PAW 势可以使用比 NC 势更小的截断能得到相同的精度,计算速度有明显优势 提供 GPAW、JTH 两组 […]

在线讲座:QuantumATK Q-2019.12新版发布:新功能与新特色介绍

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时间:2019年12月18日下午16点(北京时间) 时长:45分钟(之后15分钟答疑) 新功能摘要 密度泛函理论(DFT)和性质分析模块更新 平面波计算更新:PAW+HSE计算性能显著改进 使用k.p方法超高效计算HSE能带 新增光学和光谱分析工具,包括拉曼光谱、带内贡献、极化LO/TO劈裂、二阶极化率、红外光谱 Gilbert damping模拟描述磁性体系的自旋动力学 动力学更新 添加可以在MD过程中高频的保存“测量”记录的方法,以及一些MD轨迹作图的其他改善 大大改善了经验力场的并行效率,加速大规模体系的计算 新增创建聚合物模型的高级工具,计算聚合物工程的热-力学和其他性质 图形界面(NanoLab)更新 原子移动工具升级 增强2D作图工具 改进作业管理工具 新增报告生成工具,便于大量模拟任务结果数据的提取、分析、作图   主讲人 Anders Blom博士 Senior Business Development Manager Synopsys QuantumATK Product Group   Vaida Arcisauskaite博士 Senior Scientific Communication Specialist Synopsys QuantumATK Product Group   Umberto Martinez博士 Business Development Manager Synopsys QuantumATK Product Group   报名链接  

STD方法:高效快速的考虑非零温度下晶格振动对电子性质的影响

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概述 晶格振动(声子)对半导体电子态,尤其是光吸收和电子输运性质有重要影响,这种影响需要在计算电子性质时考虑电子–声子相互作用(电声耦合)来体现。通常采用第一原理方法进行此类计算都非常的耗时,很难实际应用。这里介绍一种高效快速的考虑电声耦合计算非零温度电子输运性质的方法:Special Thermal Displacement(STD)方法。   STD方法的原理 这种方法由Zacharias在2016年讨论固体光吸收性质时提出【1】,其基本思想是找到一个带有“平均原子位移”(即STD)的超胞结构来代替晶格振动引起的统计效应,进而包含晶格对带隙和光吸收行为的影响,下图可以明显的看到STD随温度的变化。   STD方法有效性以及如何得到STD的理论推导详见【1】。STD 方法已经包含在QuantumATK材料与器件模拟平台中,不仅可以用于块体材料模型,也可以用于器件模型。更多关于QuantumATK的介绍,请参见文末的教程和文章列表。   应用:半导体光吸收性质 文章【1】给出了几种带隙材料的光吸收计算结果,采用这种方法计算得到的半导体材料光吸收谱与实验非常一致。   应用:器件电子输运性质 文章【2】将STD方法应用在讨论半导体器件的非弹性电子输运现象中,也取得很好的效果。下图的计算结果显示,STD方法和传统的LOE或XLOE方法(微扰方法包含完全的电声耦合对电流的贡献,详见文末的案例教程和参考文献)给出了一致的非弹性电流。下图PLDOS的计算也给出了晶格温度(300K)对能带的影响。     应用:pn结与二维器件光电流 文章【3】将这种方法与光电流计算结合,研究了硅pn结的光电流和开路电压。光电流谱结果显示,STD方法可以很好的考虑非零的晶格温度效应。   对器件在光照情况下的伏安特性研究得到了器件的IV曲线和开路电压随温度的变化关系,用STD方法包含电声耦合效应给出了更接近实验数据的结果。     文章【4】用STD方法研究了如下的二维材料(MoSSe)堆叠形成的器件的光电流特性。   STD方法的优势 由于STD方法不需要计算哈密顿量对原子坐标的导数(dH/dR),因此可以节约大量的计算时间成本。下表显示使用QuantumATK对同一体系的计算时间。很明显,STD方法由于进行了更复杂的计算,因此比不包含电声耦合的计算要慢(实际计算时还可以选择更快的收敛方法)。但是,STD方法比得到一致结果的 LOE 方法还是要快很多。更重要的是STD方法对内存的需求小很多,因此在普通的节点上即可计算,而这里的LOE方法计算则是在超大内存的胖节点上完成的。   STD方法需要对体系进行一次动力学矩阵的计算,该计算是STD最耗时的部分。为此,QuantumATK中还包含了计算动力学矩阵的Wigner-Seitz近似方法,以避免使用耗时的有限位移超胞方法,可以大大加快动力学矩阵的计算速度。   案例教程 QuantumATK中包含了LOE、XLOE 和 STD等考虑电声耦合计算非弹性电流的方法以及光电流计算工具等: LOE/XLOE:https://docs.quantumwise.com/tutorials/inelastic_current_in_si_pn_junction/inelastic_current_in_si_pn_junction.html STD方法:https://docs.quantumwise.com/casestudies/std_transport/std_transport.html 光电流计算:https://docs.quantumwise.com/tutorials/photocurrent/photocurrent.html   参考文献 【1】STD方法原理与光吸收计算:Marios Zacharias and Feliciano Giustino. One-shot calculation of temperature-dependent optical spectra and phonon-induced […]

计算化学应用基础与AMS软件(原ADF)高阶培训(2018年大连站)

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由荷兰SCM公司、大连理工大学网络与信息化中心、费米科技共同主办的“计算化学应用基础与AMS软件(原ADF)高阶培训(2018年大连站)”,将于2018年10月24-25日在大连理工大学举办。 随着密度泛函、反应力场等计算理论与方法的发展,例如ETS-NOCV方法、周期性体系pEDA等新的研究工具,以及新力场与力场开发工具的出现,计算化学发挥了越来越重要的作用。 ADF材料与计算化学平台,2018版正式更名为Amsterdam Modeling Suite(简称AMS),其中包括ADF、BAND、Quantum Espresso、DFTB、MOPAC、ReaxFF、COSMO-RS等功能模块。 SCM公司的Fedor Goumans博士也将为广大用户与研究者详细介绍AMS 2018最新功能,以及相关领域最新进展,尤其包括:周期性体系的计算化学研究方法(如pEDA-NOCV、COOP等)、反应力场训练方法MCFF方法与CMA-ES方法、ReaxFF在分析方面的新功能、新的流体热力学参数模型快速批量预测流体热力学性质、溶液混合物的参数优化等。 培训详情 培训主讲人 Fedor Goumans博士 AMS开发组成员 荷兰自由大学计算化学博士、伦敦大学学院博士后,在计算化学领域有丰富经验,同时有很强的实验学科背景。 日期:2018年10月24日-25日 地点:大连理工大学西部小区化工楼D-102室 费用: 免费(食宿交通等费用自理) 人数:80人 日程安排 24日9:00-11:30 AMS 2018新版功能介绍与计算化学新进展 24日14:00-17:00 ADF、DFTB、BAND、 COSMO-RS基础与高级功能培训 25日9:00-11:30 ReaxFF基本功能与新功能培训 25日14:00-17:00 力场参数优化培训 联系人 费米科技(北京)有限公司:石小杰 13811530064 shi.xiaojie(at)fermitech.com.cn 主办单位 SCM公司 大连理工大学网络与信息化中心 费米科技(北京)有限公司 参考 AMS主页:http://www.fermitech.com.cn/adf AMS资料:http://www.fermitech.com.cn/adf/wiki AMS 2018新功能发布:http://www.fermitech.com.cn/news/ams2018release/ 在线报名

计算化学与计算材料学研讨会
暨Amsterdam Modeling Suite Workshop 2018

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由荷兰SCM公司、清华大学化学系、费米科技共同主办的“计算化学与计算材料学研讨会暨Amsterdam Modeling Suite Workshop 2018”,将于2018年10月22-23日在清华大学举办。 随着密度泛函、反应力场等计算理论与方法的发展,例如ETS-NOCV方法、周期性体系pEDA等新的研究工具,以及新力场与力场开发工具的出现,计算化学发挥了越来越重要的作用。 ADF材料与计算化学平台,2018版正式更名为Amsterdam Modeling Suite(简称AMS),其中包括ADF、BAND、Quantum Espresso、DFTB、MOPAC、ReaxFF、COSMO-RS等功能模块。 为了共同探讨材料与计算化学领域的学术问题,我们将邀请AMS资深用户分享交流研究经验,同时热忱欢迎广大老师同学,在会上介绍自己的最新进展。届时,SCM公司的Fedor Goumans博士也将为广大用户与研究者详细介绍AMS 2018最新功能,以及相关领域最新进展,尤其包括:周期性体系的计算化学研究方法(如pEDA-NOCV、COOP等)、反应力场训练方法MCFF方法与CMA-ES方法、ReaxFF在分析方面的新功能、新的流体热力学参数模型快速批量预测流体热力学性质、溶液混合物的参数优化等。同时包含AMS各模块基础培训。 会议主题 用户报告 Alkaline Earth Elements (Ca, Sr, Ba) as Honorary Transition Metal in Action 报告人:赵莉莉 单位:南京工业大学 Design and DFT explorations on the luminescent metal nanoclusters 报告人:于海珠 单位:安徽大学 AMS 2018新功能发布 AMS 2018基础功能培训 AMS 2018 高级功能培训: ADF:EDA-NOCV、激发态电荷转移描述符 BAND:PEDA-NOCV、COOP ReaxFF:反应加速新功能、新的反应分析功能(包括表面吸附反应)、力场训练MCFF与CMA-ES 方法 COSMO-RS:批量预测、快速预测(COSMO, UNIFAC, QSPR)、混合溶剂优化 交流与答疑 […]

费米科技参加2018材料多尺度计算模拟国际会议

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7月1-3日,由中国材料研究学会计算材料学分会主办,西北工业大学材料学院和凝固技术国家重点实验室承办的2018材料多尺度计算模拟国际会议(ISM3)成功举办。 西北工业大学黄维院士致欢迎辞 费米科技作为此次大会的主要赞助单位出席了本次大会,并向所有与会者推荐了通用的材料与器件模拟平台QuantumATK软件和跨尺度计算化学平台ADF软件。 与会期间,费米科技工程师与各位老师就大家关心的课题进行了深入讨论,获得一致好评。  

费米科技参加第二届单原子催化国际会议

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2018年6月15日至18日,由清华大学化学系和国家纳米科学中心主办的“第二届单原子催化国际研讨会”在国家纳米科学中心报告厅隆重举行。来自中国、美国、英国、瑞士、奥地利等11个国家的两百六十余名专家学者参加了本届大会。开幕式由大会组委会主席、清华大学化学系李隽教授和李亚栋院士主持,中国科学院副院长张涛院士出席了开幕式。费米科技作为唯一软件赞助商参加了本次会议。 清华大学李隽教授主持开幕式   会议期间,费米科技为研究者们带来了软件相关功能推荐: QuantumATK在材料表面与界面研究中的应用 QuantumATK独有的新功能:非平衡态格林函数方法研究半无限表面模型 材料表面-分子的轨道相互作用、电子迁移 二维周期性体系的结合能、能量分解pEDA   单原子催化 2011年,大连化物所张涛院士课题组成功制备出了单原子Pt/FeOx催化剂(Nat. Chem. 2011, 3(8): 634-641),该催化剂在CO氧化和CO选择性氧化反应中表现出很高的催化活性和稳定性。在这篇文章中,张涛院士、李隽教授(清华大学)和刘景月教授(亚利桑那州立大学)首次提出了单原子催化的概念。

 
  • 山东大学刘锋《ACS Appl. Mater. Interfaces》:两步热注射法制备低缺陷混合卤化物钙钛矿纳米晶关键词 两步热注射;钙钛矿纳米晶;空位缺陷;蓝光LED 正文 开发高荧光量子产率(PLQY > 80%)的纯蓝光钙钛矿纳米晶具有重要的基础和现实意义,因为这些材料可以作为光发射层应用于蓝光LED。阴离子交换策略是目前获得蓝光钙钛矿纳米晶的常用方法,它使用Br盐对预合成的CsPbCl3纳米晶进行后处理,通过触发Cl-和Br-离子之间的交换获得混合卤化物蓝光纳米晶。然而,大多数阴离子交换策略得到的CsPb(Cl/Br)3纳米晶PLQY通常低于30%,意味着传统制备方法无法有效消除混合卤化物当中的非辐射复合缺陷,特别是Cl空位缺陷。 山东大学刘锋教授课题组通过分析Cl空位填充热力学原理,对传统混合卤化物纳米晶制备方法进行优化改进,设计了一种简单、高效的两步热注入方式,通过调节Br离子前驱体反应活性和反应温度,打破了Cl空位填充热力学限制,在实现阴离子交换反应的同时填补了Cl空位缺陷,制备出PLQY接近100%的蓝光CsPb(Cl/Br)3量子点。所开发的纯蓝光LED(发射峰值在~460 nm)具有4 V的低开启电压和在8 V左右的高稳定性。相关工作以“Filling [...]
  • 利用有限元分析优化个性化的上颌植入物设计【Simpleware应用】概述 Jajal Medical 公司使用 Simpleware 软件将患者的扫描数据(如CT、MRI)转换为适用于可视化和规划复杂手术的 3D STL 格式和有限元(FE)模型。数字化手术规划有助于降低手术期间意外并发症的风险、缩短手术室(OR)时间、节省资金以及改善临床结果和患者满意度,因此此类工作流程变得越来越有价值。 在这个案例中,患者被确诊为毛霉菌病,导致左上颌骨大面积缺损,Jajal [...]
  • 超临界流体的不均性分布及其对反应行为的影响(JACS Au 2022)研究背景 超临界流体因其特殊的性质,已经广泛应用于化学工程行业中。以热裂解反应为例,如石化炼炉,高性能燃烧容器等装置内发生的热裂解反应,往往发生在超临界流体中。已有大量实验研究报道,超临界条件下的热裂解反应在反应速率及反应产物等方面,显著差异于常压气相下的热裂解反应。然而,解释这些由于相态区别导致的反应行为差异,尚为超临界领域内的一个难题。为此,有必要从超临界流体本身存在的特殊微观流体结构出发,对其微观分布与特异反应行为的关联进行研究,为拓宽超临界流体的应用提供理论基础。 基于此,天津大学化工学院刘国柱教授团队提出了一种结合机器学习与分子动力学的模拟策略:通过集群变量驱动元动力学(CVHD)模拟超临界流体在真实工况条件下的反应过程,准确描述了超临界热裂解的特殊反应行为,并通过深度神经网络对原子局部环境进行学习,将超临界流体从原子尺度划分为“类液原子”与“类气原子”,揭示了拥有特殊局部环境的“类液原子”在超临界流体反应中的重要作用,理论性地解释了超临界反应的特殊反应行为。该研究结果对于深入探索超临界流体及相关反应具有重要的理论意义。 研究内容 首先,作者利用AMS软件ReaxFF模块中提供的集群变量驱动元动力学算法(CVHD),模拟了真实工况条件下(1000 K),气态及超临界态代表性碳氢燃料组分正癸烷的热裂解反应过程,并追踪了反应中的主要产物分布,构建了两种反应条件下的反应机理网络。相较于气态热裂解反应,超临界态下的反应中,诸如氢提取反应,双自由基加成反应等双分子反应所占比例显著提高,导致反应产物中大分子烷烃数目增加,产物烷/烯比增加,符合实验结果。 为解释超临界态热裂解反应的特殊行为,选择深度神经网络对真实气相、液相原子的局部环境进行学习,构建二元分类器,对超临界流体进行筛分。筛分结果表明,超临界流体并非均匀单相,而是由“类气原子”与“类液原子”交织共存形成的泡沫状结构。随着流体所处环境压力的改变,流体体密度发生变化,所含“类液原子”的比例也随之改变,并呈现出S型变化趋势。 图1. 超临界流体中的类气、类液原子分布(a)3 MPa; [...]
  • 臂丛神经损伤的有限元分析【Simpleware应用】概述 3D 建模和仿真能够为潜在的临床解决方案提供详细的分析,因此日本山口大学将 Simpleware 软件作为研究生物力学和脊柱损伤的重要工具。在本案例中,研究人员利用包含脊柱、硬脊膜、脊神经根和臂丛神经的复杂三维有限元模型(FEM)检查成年患者臂丛神经损伤情况。作者研究了臂丛神经损伤的机制,特别是应力和应变分布,以及该模型在其他方面的实用性。 亮点 3D 图像数据来源于可视人计划使用 Simpleware ScanIP [...]