背景简介 随着全球对可持续能源的需求日益增加，开发高效的氢气生产技术显得尤为重要。水分解作为一种清洁氢气的来源，近年来受到广泛关注。光催化和压电催化是两种具有潜力的水分解技术，分别利用光能和机械能进行反应。光催化依赖于半导体材料在光照下激发电子，而压电催化则利用材料的压电效应在机械应力下产生电荷，从而促进反应。 BiN单层材料因其独特的电子结构和良好的光学特性，成为研究的焦点。前期研究表明，BiN单层在光催化方面表现出色，但其在压电催化中的潜力尚未被充分探索。因此，本研究旨在深入分析BiN单层在光催化和压电催化水分解中的双重功能，揭示其工作机制。 通过系统的理论和实验研究，本文将探讨BiN单层在不同催化条件下的性能表现，力求为新型催化剂的开发提供重要依据。这不仅有助于推动水分解技术的发展，也为氢能的可持续利用开辟了新的思路。最终，研究成果可能为解决当前能源危机和环境问题提供有效的技术路径。 研究内容 首先，通过理论计算和实验方法，研究团队分析了BiN单层的晶体结构、电子特性和光学性质，确认其具有优良的电子结构和较高的光吸收能力，这为其光催化活性奠定了基础。在光催化方面，研究通过一系列水分解实验验证了BiN单层在紫外光和可见光条件下的催化效率。结果显示，该材料在光照下能够有效产生氢气，证明了其作为光催化剂的潜力。通过光谱分析，研究还揭示了光生载流子的生成与转移过程，深入理解了其催化机理。此外，文献进一步探讨了BiN单层的压电催化特性。研究表明，当BiN单层受到机械应力时，能够产生电荷并有效促进水分解反应，显示出其在压电催化方面的应用潜力。最后，研究总结了BiN单层材料在光催化和压电催化水分解中的双重功能，强调了其在清洁氢气生产中的应用前景。这一研究不仅为催化剂的开发提供了新的方向，也为实现可持续能源转型提供了重要的科学基础。 该工作以“Dual functionality of the BiN monolayer: unraveling its photocatalytic and piezocatalytic water splitting properties” 发表在Physical Chemistry Chemical Physics。 图1。BiN的(a)杨氏模量（Y (θ)）、(b)泊松比（v (θ)）和(c)剪切模量（G (θ)）的角依赖性。 图2。双轴应变下BiN(a)应变能，(b)带隙，(c)CBM和VBM相对于水的还原势（实线）和氧化势（虚线）的变化（黑色表示pH = 0，红色表示pH = 7，蓝色表示pH = 14）。 图3。(a)原始BiN单层沿xx、yy和zz方向的光吸收谱，(b)为+5%（蓝线）和-5%（红线）应变下沿xx方向的光吸收谱。 图4。(a)-(c)分别为-5%应变、原始和+5%应变HER过程的吉布斯自由能，(d)和(e)为原始和+5%应变OER过程的吉布斯自由能。 图5。光催化、压电催化和压电光催化机理示意图。 总结 本文研究了BiN单层材料在光催化和压电催化水分解中的双重功能。研究表明，BiN单层具有优异的光学特性和电子结构，使其在紫外光和可见光条件下都能有效催化水分解反应，产生氢气。此外，当BiN单层受到机械应力时，能够利用压电效应生成电荷，进一步增强催化活性。研究通过实验和理论分析揭示了光催化和压电催化的工作机制，为BiN单层在清洁氢气生产中的应用提供了新的视角。这一发现不仅拓展了BiN材料的应用潜力，也为发展高效的可再生能源技术提供了重要的科学基础。 参考 Dual functionality of the BiN monolayer: unraveling its photocatalytic and piezocatalytic water splitting properties. […]
基于二维材料金属-半导体相变构建的具有低电源电压的新一代晶体管
研究背景 晶体管是集成电路的基本单元，是上世纪人类最伟大的发明之一。过去近六十年间，晶体管尺寸遵循摩尔定律不断缩小，相应的性能不断提升。但是，随着晶体管尺寸缩小，特别是小于几纳米时，晶体管的功耗会显著增加，极大地制约着新一代器件的设计和制备。在考虑动态功耗和静态功耗下，晶体管的功率密度受晶体管密度、工作频率等因素影响；特别是和电源电压平方正相关。因此，探索晶体管降低电源电压的有效机制，已成为设计下一代低能耗晶体管等电子器件一个重要途径。 研究内容 近日，重庆三峡学院谭兴毅教授、南京理工大学张胜利教授、华中科技大学傅华华教授等，利用二维材料的金属-半导体相变并结合隧道场效应，提出了一种新型具有低电源电压的晶体管设计(见图1)。该晶体管可在极低电源电压(0.05/0.10 V)和极短栅极长度(3~5 nm)下，其开态电流（Ion）、功耗延迟积（PDP）和延迟时间（τ）等关键参量，都很好满足2013版国际半导体技术路线图（ITRS）所规定的对高性能器件要求。特别是其功耗延迟积与延迟时间，显著小于当前报道的所有晶体管，该设计为下一代低功耗晶体管提供了新思路。 图1. 隧道场效应晶体管原理，开态(a);关态(b)。金属-半导体相变晶体管原理，开态(c)：沟道材料为金属；关态(d)：沟道材料在外电场作用下变为半导体。常规的隧道场效应晶体管原理如图1所示：开态(a)，关态(b)。金属-半导体相变晶体管原理，开态(c)：沟道材料为金属；关态(d)：沟道材料在外电场作用下变为半导体。 图2. (a) 金属-半导体相变晶体管结构图。器件输运特征曲线：(b) 栅极长度3 nm, (c)栅极长度4 nm, (d) 栅极长度5 nm作者计算了栅极长度为3，4，5 nm器件的输运特性，发现栅极长度为3，4，5 nm器件可以达到ITRS中高性能器件的开态电流（900 µA µm-1）；栅极长度为4，5 nm器件可以达到ITRS中高性能器件的关态电流（0.1 µA µm-1）。 图3. 器件的PDP与τ关系 作者计算了器件的功耗延迟积（PDP）和延迟时间（τ），发现其功耗延迟积与延迟时间，显著小于当前报道的所有晶体管。 结论 综上所述，本工作利用金属-半导体相变构建了一种新型晶体管，该晶体管具有极低的电源电压和极低的功耗。这不仅为设计下一代低功耗电子设备开辟了新的途径，而且对于推动电子设备向更高能效和更小体积的方向发展具有重要意义。此外，这种新型晶体管的设计和实现，预示着未来电子设备在能效和性能上的巨大飞跃，对于节能减排和可持续发展具有深远的意义。 参考文献 Xingyi Tan, Hengze Qu, Jialin Yang, Shengli Zhang* and Hua-Hua Fu*. A next-generation transistor with low supply voltage operation constructed based on 2D materials’ […]
基于二维双层铁电范德华异质结$\mathrm{CuInP}_2\mathrm{Se}_6$/$\mathrm{Ga}_2\mathrm{O}_3$的铁电隧道结中的高隧穿电阻
背景简介 目前研究发现，双层范德华异质结的导电性质可以通过比较两种材料接触界面处的功函数差（∆W）来预测：当∆W 大于异质结中功函数较大材料的带隙时，异质结将表现出金属性；相反，当∆W 小于功函数较大材料的带隙时，异质结将成为半导体甚至绝缘体。二维面外极化的铁电材料由于其内部铁电极化场的影响，具有分别在两个表面上的截然不同的两个功函数。需要另一种材料分别与面外极化铁电材料的两个表面接触，以构建具有两个铁电极化态的范德华异质结，则构建的范德华异质结在两种不同的极化态下就会具有明显的导电性差异，满足构建高隧穿电致电阻比的铁电隧道结的要求。然而，由于该条件对所使用铁电材料的极化强度要求高，通常很难找到合适的材料组合。 研究内容 周艳红课题组研究生雷蕾涛提出一种由两种二维面外极化铁电材料组成的双层铁电范德华异质结模型，能更容易找到满足条件的材料组合。因为当两种面外极化铁电材料各有差异比较大的两个功函数，由它们构建的范德华异质结就会有四种可能的∆W。∆W 最大的情况下，往往能够超过构成范德华异质结的两种材料的带隙。此时，异质结将成为导体，而∆W 最小的情况下，一般都会小于构成异质结的两种材料的带隙。此时，异质结将成为半导体或绝缘体。与使用单层铁电材料的范德华异质结相比，双层铁电范德华异质结在构建铁电隧道结中高低导电态更容易实现。基于这种新的铁电隧道结构建模型，他们的铁电隧穿层采用了由两种面外极化铁电材料 CuInP2Se6和Ga2O3 组成的双层铁电范德华异质结。这种范德华异质结的 P↑↑态为具有 0.634 eV 带隙的绝缘态，P↓↓态为零带隙的金属态，因此，在 CuInP2Se6/Ga2O3 范德华双层铁电异质结中可以通过控制铁电极化，实现高导电态（P↓↓态）和低导电态（P↑↑态）的切换。接着，基于该异质结，设计了一个二维面内铁电隧道结，获得高达 106 %的隧穿电致电阻比并通过功函数模型、电荷重新分布和局域态密度对上述现象进行了分析。该工作以“High Tunneling Electroresistance in Ferroelectric Tunnel Junctions Based on 2-D Bilayer Ferroelectric CuInP2Se6/Ga2O3 van der Waals Heterostructure” 发表在IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES。 图1 非导体—导体铁电转换理论模型。分别展示了（a）由非铁电材料和面外极化铁电材料 组成的范德华异质结和在（b）由两种面外极化铁电材料构成的双层铁电范德华异质结中材料的功函数W 和两种材料之间界面处的功函数差∆W。 图2（a）CuInP2Se6单层，（b）Ga2O3单层和 CuInP2Se6/Ga2O3双层铁电范德华异质结在（c） P↑↑态、（d）P↓↓态和（e）P↓↑态下的能带结构图。 图3 N = 2 时，CuInP2Se6/Ga2O3 铁电隧道结的原子结构，（a）P↑↑态和（b）P↓↓态。 图4（a）N = 1、（b）N […]
《Physics Reports》长篇综述：亚10纳米二维晶体管
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
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
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
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 […]
免费在线讲座：用于电子器件和表面结构弛豫的高效新框架
2018年12月12日，Synopsys QuantumATK团队将举办免费在线讲座，介绍用于电子器件和表面结构弛豫的高效新框架。
材料与器件模拟研讨会暨QuantumATK Workshop 2018在山东师范大学成功召开
由Synopsys QuantumATK，山东师范大学物理与电子科学学院和费米科技联合主办的 “材料与器件模拟研讨会暨QuantumATK Workshop 2018” 在济南成功召开。
计算化学应用基础与AMS软件（原ADF）高阶培训（2018年大连站）
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