《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。

 
  • 热激子基TADF分子设计的理论探讨(Materials Advances 2022)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 Kumar Ravva近期的研究中,探索、分析了分子设计的基本概念,并通过密度泛函理论建立热TADF分子的结构-性质关系,提出了一种分子设计策略。作者设计了一系列新的热激子机制施主(D)-π-受体(A)型分子,探索了新设计分子的电子特性,以助于设计“热激子”通道OLED材料。由于苯恶嗪(PXZ)和咔唑(CZ)的给电子能力适中,因此选择它们作为给电子单元,而吡嗪单元上的吸电子基团包括H、F和CN被取代为受体单元,使用CN化的萘噻二唑(NZ)和蒽噻二唑(AZ)单元连接供体和受体,设计出十二个D-π-A框架分子。这项研究可以为具有多个热激子通道的有机材料的分子设计方法带来新的见解,从而更好地利用激子。参考文献 Theoretical Insights on Molecular [...]
  • 探究睡眠呼吸暂停【Simpleware应用】概述 理解如何维持气道通畅的基础是咽部被动机械变形对上气道塌陷的作用进行分析。本项研究首先在 Simpleware 软件中使用 CT 扫描数据创建了精细的 3D 解剖模型,然后采用有限元分析(FEA)方法研究变形情况。结果与体内试验及文献报道吻合较好,可以作为更全面地模拟人上气道塌陷和治疗阻塞性睡眠呼吸暂停的起点。 亮点 从 [...]
  • 传感器材料与器件的模拟【QuantumATK亮点文章】基于高导电碳纳米管/聚氨酯复合纤维的可穿戴式应变传感器 高导电性和可伸缩性纤维因其在柔性可穿戴电子设备中的潜在应用而受到越来越多的关注。羧基化碳纳米管(c-CNT)被涂覆在柔性纤维上,作为制造可穿戴式应变传感器的方便方法。然而,由于碳纳米管的石墨化结构在羧化过程中被破坏,碳纳米管的导电性降低。如何让 c-CNT 复合纤维具有高导电性仍然是一个重大挑战。此研究通过在聚氨酯(PU)纤维上涂覆金属离子连接的 c-CNT 来制备高导电纤维,以提高 c-CNT 之间的电子传输速率。由 Fe2+ 离子和羧基形成的金属配位结显著提高了 [...]
  • 增材制造个性化骨增量钛网的工程实现【Simpleware应用】简介 引导骨组织再生(guided bone regeneration,GBR)是一种口腔种植骨增量技术,在骨缺损区利用屏障膜维持空间并阻挡增殖较快的上皮细胞和成纤维细胞长入,保证增殖速度较慢的成骨细胞优势增长而形成骨。随着增材制造(常被称为“3D打印”)技术的发展,可利用计算机辅助设计(computer aided design,CAD)设计出与患者颌骨形态贴合并且具有预期骨增量水平的个性化钛网模型,在激光的作用下通过材料逐层累积将其“打印”出来,最终将这种个性化骨增量钛网用于引导骨组织再生手术。与传统钛网相比,增材制造的个性化骨增量钛网更加贴合骨缺损部位,极大缩短手术时长并降低钛网暴露率,尤其适用于大面积、解剖形态复杂的骨缺损病例。 个性化骨增量钛网工艺研发 对于增材制造个性化骨增量钛网产品,研发工程师与口腔种植科的临床医生和影像科医生组建钛网项目团队,经由主治医生获得患者的影像数据(CBCT产生的“.DICOM”数据)及其对患者预期骨增量的要求,同时主治医生还会提供患者的口内扫描数据、修复体和种植体规划数据等作为钛网设计的参考模型。研发工程师将“.DICOM”数据导入到Simpleware Scan IP软件中进行解剖结构的三维模型重建,包括患者骨缺损处的颌骨、邻牙及牙根、神经管(下颌病例)并将其导出为“.STL”格式的三维模型。使用光敏树脂材料将带邻牙的颌骨模型增材制造出来,用于个性化骨增量钛网的试配。以口腔修复为导向,根据主治医生预期骨增量要求,以及钛网与邻牙、神经等解剖结构的位置关系,同时考虑固定钛网用的钛钉尺寸和位置,设计出钛网的轮廓面。在Solidworks [...]