原子精度掺杂控制单团簇催化电化学氮还原（Nat. Comm. 2020）

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精确设计亚纳米双金属团簇掺杂，为原子级别调控催化性能提供了机会。而原子级掺杂控制与制备单分散双金属团簇催化剂一直以来都是巨大的挑战。   清华大学李隽教授课题组与新加坡国立大学、美国布鲁克海文国家实验室合作，报道了一种可控的精确掺杂单团簇催化剂合成策略，该催化剂是以缺陷石墨烯为基底，由配体对Au4Pt2团簇进行部分修饰。产生的双金属单团簇催化剂（Au4Pt2/G），具有优异的电化学氮还原活性。理论机理研究表明，N2分子在团簇和石墨烯之间的有限区域被激活。杂原子Pt增强了到N2的LUMO轨道的电子反馈，这在N2活化过程中起着不可或缺的作用。此外，除杂原子Pt外，用Pd代替Pt可以进一步调节单团簇催化剂的催化性能。 为了更直观的了解，移除配体如何改变团簇的电子性质，作者使用AMS软件中ADF模块，计算了Au4Pt2(SR)6和Au4Pt2(SR)8 (R=H)的Kohn-Sham分子轨道能级。去除两个配体，不仅减小了团簇的电子能隙，而且产生了两个分别来自Pt的5d和Au的6s的单占据轨道，而这两个活跃电子可能有助于电子从团簇转移到N2的π*轨道，从而活化N2。   参考文献： Chuanhao Yao, Na Guo, Shibo Xi, Cong-Qiao Xu, Wei Liu, Xiaoxu Zhao, Jing Li, Hanyan Fang, Jie Su, Zhongxin Chen, Huan Yan, Zhizhan Qiu, Pin Lyu, Cheng Chen, Haomin Xu, Xinnan Peng, Xinzhe Li, Bin Liu, Chenliang Su, Stephen J. Pennycook, Cheng-Jun Sun, Jun Li, Chun Zhang, Yonghua Du […]

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基于加速反应分子动力学的柠檬酸盐聚合物生物降解模拟（J. Phys. Chem. B 2020）

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具有弹性的生物可降解聚合物在组织工程领域得到了广泛的关注，而聚酯是用于制造骨组织支架的常用生物材料。最近Adri van Duin等人利用加速反应分子动力学模拟，研究了柠檬酸盐聚合物的反应性。 由于酯和乙醚水解反应的活化能垒较高，反应所需时间相对于计算机模拟时间尺度（一般在ns级别的微观时间尺度）而言非常长，因此往往需要通过特殊的方法，加速分子动力学模拟中化学反应的发生。作者在ReaxFF框架内使用了bond boost加速反应方法（参阅教程），Bond boost参数的选择是通过人为调整得到。乙醚水解比酯水解能垒高，当bond boost参数降低时，乙醚水解几乎停止。另外对聚合物进行了机械拉伸模拟，以确定其拉伸模量，显示出应变相关的行为（另见应力应变教程），发现聚酯比聚醚具有更高的韧性。 己二醇-柠檬酸与两个水分子反应的ReaxFF过渡态结构（顶部），多链聚合物束降解水解，然后施加机械应变（中间），单聚合物链降解（底部）。 参考文献： Nabankur Dasgupta, Dundar E. Yilmaz, and Adri van Duin, Simulations of the Biodegradation of Citrate-Based Polymers for Artificial Scaffolds Using Accelerated Reactive Molecular Dynamics, J. Phys. Chem. B 124, 5311–5322 (2020)

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无重元素的高效持久室温磷光分子(Advanced Materials 2020)

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持久性（寿命>100 ms）室温磷光（p-RTP）对于最先进的生物成像应用非常重要。发色团与p-RTP相关的物理参数之间关系不明，这导致寻找产率超过50%和寿命超过1s的p-RTP非常困难。日本电气通信大学最近报道了在环境条件下，不含重元素发色团的高效、长寿命p-RTP。由长共轭氨基取代无重原子芳香核，显著加快了磷光发光速率，且与分子内振动的T1态无辐射跃迁无关。设计出的其中一个生色团在环境条件下的RTP产率为50%，寿命为1s。强激发下的余辉亮度至少是传统长余辉发光体的104倍。这表明，实现小规模、低成本、达到衍射极限尺寸的高分辨率门控发射的光电探测器是可能的。 文中通过ADF计算的旋轨耦合强度，详细研究了三重态-单重态间窜跃，以及激发态的辐射跃迁寿命等。 参考文献： Indranil Bhattacharjee, Shuzo Hirata,  Highly Efficient Persistent Room‐Temperature Phosphorescence from Heavy Atom‐Free Molecules Triggered by Hidden Long Phosphorescent Antenna, Advanced Materials, 2020, 2001348  

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铁中大角度晶界原子间键的强度(Adv. Mat. 2020)

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俄罗斯科学院南方科学中心Yuri F. Migal教授对铁中大角度晶界，杂质原子和合金元素原子的结合能进行了量子化学定量计算。 第四周期的元素，从钾到氪作为杂质。作者使用材料化学软件包AMS中BAND模块计算了晶体原始的能量（以孤立原子能量为参考点），以及分裂后两个体系各自的能量（以孤立原子能量为参考点），从而得到晶粒间结合能。用高角度边界模型计算的不同原子结构的结合能，与早期使用平面模型计算得到的结果定性上是一致的。结果表明，晶粒间的结合强度主要取决于晶界处原子的类型，原子的排列细节影响较小。 基于这样的现象，根据这些元素与铁之间的化学键的强弱，对位于晶界的元素进行分类成为可能。所有元素可分为三类：（i）加固作用；（ii）软化作用和（iii）不显著影响边界强度。第四周期元素，可以被分配第一类中，如钛、钒、铬、锰，钴和镍。包括硫酸钾的软化元素则包括钾、钙、砷、钪、硒、溴。这与已知的有关这些元素在实验方面的信息是一致的。  参考文献： Yuri F. Migal, Strength of Interatomic Bonds at High-Angle Grain Boundaries in Iron, Advanced Materials pp 227-234

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食源性病抗菌剂与氧化抑制剂-面包树提取物：RSM、COSMO-RS与分子对接研究（Sci. Rep. 2020）

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油脂氧化和微生物污染是导致食品变质的主要因素。食品添加剂，如抗氧化剂和抗菌剂，可以通过延缓氧化和防止细菌生长来防止食品腐败。面包树叶具有良好的生物学特性，是天然抗氧化剂和抗菌剂的新来源。马来西亚国际伊斯兰大学Mohammad Norazmi Ahmad等，采用响应面法优化了超临界流体萃取法（SFE）从叶片中提取生物活性物质的工艺，提供产率、抗氧化活性。最佳萃取条件为：温度50.5℃、压力3784 psi、萃取时间52 min。验证试验结果（Tukey试验）表明，预期的DPPH活性与实验的DPPH活性及收率（99%）无显著差异。 气相色谱-质谱（GC-MS）分析表明，面包树提取物中含有三种主要的生物活性成分。该提取物具有2,3-二苯基-1-苦基肼（DPPH）清除活性、血浆铁还原能力（FRAP）、羟基清除活性、酪氨酸酶抑制率，分别为41.5%、8.15 ± 1.31毫克（相当于抗坏血酸的微克）、32%、37%，抑制区直径分别为0.766 ± 0.06 cm（蜡样芽胞杆菌）和1.27 ± 0.12 cm（大肠杆菌）。 利用COSMO-RS解释了超临界流体萃取过程中主要生物活性物质的萃取机理。分子静电势（MEP）显示了细菌在抑制过程中亲核和亲电攻击的概率位点。分子对接研究表明，主要生物活性物质与细菌之间发生的主要相互作用（抗菌抑制）是非共价相互作用。 参考文献： Mohammad Norazmi Ahmad, Nazatul Umira Karim, Erna Normaya, Bijarimi Mat Piah, Anwar Iqbal & Ku Halim Ku Bulat, Artocarpus altilis extracts as a food-borne pathogen and oxidation inhibitors: RSM, COSMO RS, and molecular docking approaches, Scientific Reports volume 10, Article number: 9566 (2020) 相关图文教程： 分子静电势的计算 表面电荷密度与σ-Profile、σ-Potential 计算萃取分配系数 相关视频教程： 流体热力学计算：表面电荷密度、分子静电势、σ-Profile、气体溶解度

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二维光电子学：WS2-WSe2异质层中扭曲角依赖的层间激子扩散（Nat. Mat. 2020）

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最近的一项实验和理论研究揭示了扭转层对范德华异质结构的影响，过渡金属二硫化合物（TMDCs，MXenes）异质双层膜中的激子输运被两层膜的扭曲角所调节，从而产生moiré势。瞬态吸收显微技术表明，WS2-WSe2异质双层膜在较高温度下激子衰变率较长，当层扭曲60°时更长。理论学家Agnieszka-Kuc、Thomas-Brumme和Jens-Kunstmann对观测到的激子动力学进行了解释： 采用自旋轨道耦合DFT方法，在二维带周期边界条件下，分别计算了在0°和60°扭转角下异质双层膜的能带结构。在异质双层WS2-WSe2激子中，空穴优先处于WSe2价带，而电子则在WS2导带中运动。在该导带中，Q点的能量比K点低。由于K-K激子衰变现在是热激活的，温度越高，K电子的布居数越高，衰变率越长。由于60°扭转角处的能量差ΔEK–Q比0°处的能量差小，Q到K的后向散射效率更高，导致K-K衰减率更长。 WS2-WSe2异质双层膜在能量上有利于K-Q层间激子，从K价带最高点向Q导带最低点跃迁能最低，因此直接K-K衰变是热激活的，ΔEK–Q衰减率取决于扭转角。 示例输入文件可供参考(点击下载)。但需要注意，在WS2和WSe2单层（ML）晶格之间存在约4%的晶格失配。一个完全相称的晶格需要在一个单元中有几千个原子，目前对自旋轨道耦合DFT计算还不可行。取而代之的是，对称的6原子体系被用于三个晶格：在WS2-ML弛豫晶格、WSe2单层弛豫晶格和平均晶格。WS2有所拉伸，WSe2则被压缩，这会导致能带结构有所偏差。 扭曲只是调整二维半导体光电特性的可能性之一，在密度泛函计算的指导下，关于异质双层膜扭曲如何影响激子动力学的理解，有助于进一步发展量子光子学器件。在即将到来的欧盟项目中，将进一步发展AMS软件在研究二维半导体光电特性方面的功能。 参考文献： L. Yuan, B. Zheng, J. Kunstmann, T. Brumme, A. Kuc, C. Ma, S. Deng, D. Blach, A. Pan, L. Huang, Twist-angle-dependent interlayer exciton diffusion in WS2–WSe2 heterobilayers, Nature Materials, 19, 617–623(2020)

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封面：有机硼功能化使多金属氧酸盐纳米胶囊的分级组装成为可能（Angew. Chem. 2020）

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多金属氧酸盐简称多酸（polyoxometalates，POMs），是前过渡金属离子的高氧化态（Mo, W, V, Nb, Ta）与氧形成的纳米级簇类金属氧化物阴离子。功能化POMs 材料在医药、磁性材料、环境保护、催化、分子电子学、能源转化和储能材料等领域具有广阔的应用前景。 河南师范大学陈学年教授课课题组、南方科技大学郑智平教授和德国乌尔姆大学Carsten Streb教授，提出利用硼酸对POMs进行共价功能化的新机制，利用硼酸中硼原子的电子缺陷和亲电性以及POMs中金属氧基的亲核性和高电子密度，使用有机硼酸将Dawson阴离子[M3P2W15O62]9- (M = Nb, Ta)连接到POM基纳米结构，合成了直径约4nm的具有内腔和独特的高对称性结构的POM聚集体。     为了深入了解有机硼功能化POMs的形成机理，作者使用Amsterdam Modeling Suite（简称AMS）中ADF模块，进行了密度泛函计算研究，对POM的主要构造单元{M3W15}的电子结构进行了比较。为了合理解释五族金属对Mulliken电荷分布的影响，作者比较了{Ta3W15}、{Nb3W15}、{V3W15}。 三种物质显示出明显的Mulliken电荷分布趋势，以及端位（Ot）、桥位（Ob）氧基的Lewis碱度序列：O(Ta) > O(Nb) > O(V)。而在实验上，观察到Nb形成1-Nb、2-Nb与Ta形成1-Ta、2-Ta相比，PH值更低（二者分别为1.0~0.0、4.0~0.0）。而{V3W15}即使在低PH值下，对各种硼酸都没有反应性。正是碱度/亲核性促进了M-O-B的连接，最终形成四聚、十二聚的分子胶囊结构。 该论文被编辑部评为VIP论文 (Very Important Paper)，又被选为封面文章，发表后被Chemistry Views做亮点介绍。 Shujun Li, Yanfang Zhou, Nana Ma, Jie Zhang, Zhiping Zheng,* Carsten Streb,* and Xuenian Chen*, Organoboron-Functionalization Enables the Hierarchical Assembly of Giant Polyoxometalate Nanocapsules, Angew. Chem. Int. Ed. […]

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具有半导顺磁态的二维COF材料（JACS 2020）

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石墨烯中弹道输运的发现点燃了人们对二维（2D）材料的探索，目前已应用于电子和材料科学等领域。特别是二维π-共轭共价有机框架（COFs）由于其结构可调谐性广、比表面积大和众多的相关性质而备受关注。 最近加拿大麦吉尔大学，以三硝基TANG（trioxaazatriangulene）为前驱体，经钯催化加氢和芳香二醛缩聚的一锅二步反应合成了高结晶度和永久孔隙层状二维结构的黑晶（aza）三角烯基COF材料TANG-COF。刚性、富电子的TANG结构块产生强烈的π-电子相互作用，从而在可见光和近红外区（Eg≈1.2eV）很宽的范围内存在光吸收。TANG-COF的高HOMO能量（-4.8eV）使p掺杂变得非常容易，导致高达10-2S/cm的电导率和自旋浓度为10%的室温顺磁行为。   基于AMS-BAND的DFT-HSE06计算有助于确定结构的对称性约束以及TANG的分层结构，DFT计算预测了二维共价TANG网络的π堆叠产生的各向异性电荷输运。虽然单个2D聚合物层具有大的带隙（1.81ev），HOCO（0.28ev）和LUCO（约0ev）中存在少量色散，但其堆叠结构的带隙却很窄（0.80ev），并且沿π-堆叠方向出现了显著的带色散（HOCO为0.95ev）。在各向异性压缩COF颗粒实验证实了DFT的预测。 AMS-BAND使用STO基组，在二维、一维材料领域，在精度与效率方面均远超平面波方法，在不折损精度的前提下，杂化泛函的计算效率比平面波方法高一个量级。 Vellanki LakshmiCheng-Hao LiuMalakalapalli Rajeswara RaoYulan ChenYuan FangAfshin DadvandEhsan HamzehpoorYoko Sakai-OtsukaRobin S. SteinDmitrii F. Perepichka, A Two-Dimensional Poly(azatriangulene) Covalent Organic Framework with Semiconducting and Paramagnetic States, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2155−2160

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改进深蓝热激活延迟荧光发射：TMCz-BO (Nat. Comm. 2020)

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传统上，OLED器件只有25%的内部量子效率，因为只有单个激发态可以用来发射荧光，另外75%激发到三重态。近年来重金属的强自旋轨道耦合（SOC）效应被用来增强系间窜跃，将理论量子效率提高到100%。使用重金属的一个缺点是，但是金属配位键较弱，导致蓝色OLED的寿命较低。另一个方案是使用热激活延迟荧光（TADF）机制，通过逆向系间窜跃（RISC）将最低三重态（T1）转换为最低单重态（S1）。虽然TADF机制很有前途，但如果逆向系间窜跃发生得不够快，它可能会受到其它竞争进程的阻碍。这需要较小的S1-T1能隙，以及S1态和T1态之间良好的振动耦合，自旋轨道耦合（SOC）对系间窜跃速率也有很大的影响。   日本九州大学OPERA究中心发现了一种新的深蓝色TADF发射器TMCz-BO，在467nm处高效发光。文章使用AMS-ADF考虑自旋轨道耦合的TDDFT（SOC-TDDFT）的计算，解释了TMCz-BO的TADF发光为何如此高效：T2和S1状态之间的旋轨耦合矩阵元（SOCME）相对较大（0.124cm-1），有利于逆向系间窜跃，而系间窜跃回到T1状态，则由其0.001cm-1的低SOCME所阻碍。 这种计算策略对TADF发射体的进一步发展和分子设计具有重要意义。用AMS-ADF很容易优化基态和激发态。所用到软件功能的中文教程参考：第三代OLED材料性能的第一性原理计算：通过DFT预测TADF逆向系间窜跃速率 (JACS, 2017) Jong Uk Kim, In Seob Park, Chin-Yiu Chan, Masaki Tanaka, Youichi Tsuchiya, Hajime Nakanotani & Chihaya Adachi, Nanosecond-time-scale delayed fluorescence molecule for deep-blue OLEDs with small efficiency rolloff, Nat Commun 11, 1765 (2020)

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钯使聚氯乙烯工业更环保 （Applied Catalysis B: Environmental，2020）

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聚氯乙烯是以氯乙烯单体为原料，通过自由基聚合反应合成的应用广、成本低、性能优异的聚合物。目前，活性炭负载HgCl2催化剂在工业乙炔加氢氯化制备氯乙烯中仍有应用，对用环境友好的无汞催化剂代替氯化汞催化剂，是绿色化学方向的迫切需求。为了寻找最佳钯催化剂替代，浙江工业大学工业催化研究所、环境学院与台州学院医药化工与材料工程学院联合研究，通过合成和分析从纳米颗粒、团簇到单原子位不同纳米结构的钯基催化剂，探索了负载型钯基催化剂用于乙炔氢氯化反应的活性位置和催化机理，如下图1 a所示： 图1 a，合成过程的示意图；b，不同钯位的催化性能。数据参考原始文献 研究表明，Pd单原子位点比Pd团簇（Pd/AC-R）或Pd纳米颗粒具有更高的活性和稳定性（图1c），吡啶氮有助于钯单原子位的催化活性（图1d）。采用密度泛函理论（DFT）和动力学分析相结合的方法，通过监测协同效应，进一步探讨了吡啶氮对提高催化活性的贡献。通过AMS-BAND进行DFT计算，清楚表明PdN2物种通过改善乙炔吸附，提高了催化效率（图2a）。在该位点，氯乙烯单体是由吸附在Pd位的C2H2与吸附在吡啶N位的HCl反应产生的，遵循Langmuir-Hinshelwood机理，Pd和吡啶N为双活性位（图2b）。 图2 a，C2H2在不同Pd位上的吸附模型和吸附能；b，吡啶氮上稳定的PdN2位反应机理的DFT计算。蓝色、灰色（载体）、红色、绿色、白色和棕色球分别代表N、C、Cl、H和Pd原子。 动力学研究表明，载体表面吡啶态N的大量存在促进了HCl在Pd周围的富集。这种富氯化氢策略，使得乙炔/氯化氢以1:1进料生产氯乙烯成为可能。 作者首次将钯单原子催化应用于乙炔加氢氯化反应，对化工行业具有重要的吸引力。值得一提的是，AMS中的BAND采用Slater基与数值基混合基组，非常擅长计算此类低维度体系，精度与效率均优于平面波方法。 参考文献： Wang B, Yue Y, Jin C, Lu J, Wang S, Yu L, Guo L, Li R, Hu Z-Ting, Pan Z, Zhao J, Li X, Hydrochlorination of Acetylene on Single-Atom Pd/N-Doped Carbon Catalysts: Importance of Pyridinic-N Synergism, Applied Catalysis B: Environmental (2020), 272, 118944

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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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