电场执笔、层自由度传信:一体化交错磁隧道结实现全电控读写

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研究背景 交错磁体(altermagnet)兼具反铁磁体与铁磁体的优势:在实空间中具有补偿的磁矩,因而几乎不产生杂散场;同时又能在动量空间中形成非相对论性自旋劈裂,为自旋选择性输运提供基础。这些特性使交错磁体成为高密度、低功耗自旋电子器件的重要候选材料。 磁隧道结通常通过平行态(P)和反平行态(AP)之间的电阻差异存储和读取信息。在已有交错磁隧道结方案中,这两种状态往往依赖 Néel 矢量翻转来切换。然而,交错磁体的总磁矩严格补偿,利用自旋转移力矩(STT)或自旋轨道力矩(SOT)实现确定的 Néel 矢量翻转仍然困难,复杂的界面结构还可能带来效率损失和额外的能耗。研究关注的核心问题是:能否不翻转 Néel 矢量,只借助电场就完成交错磁隧道结的写入与切换? 为此,研究者把目光转向具有自旋—层耦合的双层交错磁半导体 V2Se2O。该体系的上下两层具有符号相反的自旋极化。零电场下,空间反演与时间反演的联合对称性使能带保持整体自旋简并;施加垂直电场后,层间电势差打破这一对称性,隐藏的自旋劈裂便可在不同层上显现。只需反转电场方向,就能够反转自旋劈裂的符号,而 Néel 矢量则始终不变。 图 1.(a)双层 V2Se2O 原子结构及交错磁序(b-c)导带附近的动量分辨自旋分布及侧视图(d-f)在 0、0.2 和 −0.2 V/Å 垂直电场下的自旋分辨能带(g-i)相应的层投影能带 研究内容 基于上述机制,选择双层 V2Se2O 作为原型,沿其(010)方向构建交错磁隧道结。与“金属电极—势垒—金属电极”的传统多材料结构不同,该器件由同一种双层材料连续构成,左右区域通过两组栅极分别施加垂直电场。两端电场方向相同时,两侧自旋通道相互匹配,器件处于平行态;两端电场方向相反时,自旋通道彼此不匹配,器件处于反平行态。换言之,P 态和 AP 态的写入不再依赖磁序翻转,而是通过改变电场方向直接切换。 第一性原理结合非平衡格林函数的量子输运计算显示,在 |E| = 0.2 V/Å、零偏压条件下,隧穿磁阻(TMR)为 1.10×1010 %。其物理图像十分直观:P 态下左右区域的自旋分辨费米面高度匹配,电子能够顺利传输;AP 态下相应通道彼此失配,隧穿过程受到强烈抑制。TMR 在一定偏压下仍保持在 104 %以上。 图 2.(a)栅极调控的器件示意图(b)P 态和 AP 态下两端电极的二维费米面匹配关系(c)P 态和 AP 态的总透射谱(d-e)透射系数和 TMR 随能量的变化(f-i)P 态和 AP 态下的自旋分辨透射本征态 该器件还呈现出鲜明的“层过滤”特征。在 0.2 V/Å 电场下,穿越费米能级的能带主要来自双层 V2Se2O 的底层,因此 P 态中的自旋向上和自旋向下通道都集中在底层,而顶层基本不参与输运。这意味着电子的传输不仅具有自旋选择性,还携带可分辨的层信息。层自由度由此成为新的信息载体,也为实验识别器件导电状态提供了可能。若能分别探测上下层信号,便可直接检验电场是否使器件保持在理想的单层过滤工作区间。 随后,进一步系统考察电场强度对器件性能的影响。随着 |E| 由 0.2 V/Å 增加至 0.4 V/Å,更多能带穿越费米能级,P 态透射持续增强;AP 态透射也随之增加,但始终小于 P 态。当电场达到 0.25 V/Å 时,导带与价带的自旋劈裂分支发生交叉,上下两层的能带同时参与费米能级附近输运,AP 态由此打开额外通道。TMR 从约 1010 % 迅速降至 5.06 × 104 %,此后仍保持在 104 % 以上。 图 3. 电场和偏压对输运性能的调控(a-b)P 态和 AP 态总透射系数随电场变化(c)TMR 随电场变化(d)在 |E| = 0.2 V/Å 时,P 态电流、AP 态电流及 TMR 随偏压的变化 这一突变并非器件失效,而是层分辨输运机制发生了转换。在较低电场下,只有一层提供主要通道,器件表现为单层过滤;超过临界电场后,另一层的能带也跨越费米能级,输运转变为双层共同参与。对于 P 态,左右所有自旋通道仍能匹配;对于 AP 态,新增的费米面重叠使原先被阻断的部分通道重新开启。因此,层信号不仅是新型信息自由度,也可以充当器件工作窗口的原位“指示器”。 图 4.(a)不同电场方向与强度下的自旋—层分辨能带示意(b)两条能带跨越费米能级后的二维费米面示意图(c)|E| = 0.25 V/Å 时 P 态和 AP 态的费米面匹配情况(d-g)P 态和 AP 态的自旋分辨透射本征态 总结 本研究提出了一种不同于传统磁序翻转的交错磁隧道结写入范式。垂直电场打破双层 V2Se2O 的层间 PT 对称性,使隐藏的自旋极化显现;反转电场方向即可反转自旋劈裂的符号,从而在 Néel 矢量不变的情况下完成 P 态与 AP 态切换。由同一种双层材料连续构成的一体化架构减少了额外异质界面的需求,并在 0.2 V/Å 电场下产生约 1.10×1010 % 的巨大 TMR。 更具特色的是,器件输运具有层过滤属性:低电场下主要由单层承担隧穿,电场超过临界值后则转变为双层共同输运。层自由度既拓展了信息编码维度,也为监测最佳工作窗口提供了可检测信号。该工作为低功耗、高速度交错磁存储器件提供了全电调控的理论路线,也展示了将自旋与层自由度协同用于量子输运设计的潜力。 参考文献 Chao Mao, Shiqi Liu, Baochun Wu, Shunfang Li, Jinbo Yang, and Jie Yang. Electrical-controlled and […]

基于图像的 C/SiC 复合材料在多次电弧射流暴露下的可重复使用性评估

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概述 可重复使用热防护系统(TPS)对于确保飞行器在反复承受高热流和氧化环境条件下的任务可靠性至关重要。应用于鼻锥和前缘的 TPS 必须由具备优异高温性能和抗氧化能力的热防护材料(TPMs)构成。碳/碳化硅(C/SiC)复合材料因其优异的抗氧化和抗烧蚀性能以及卓越的高温力学性能,被认为是可重复使用热防护系统的理想候选材料。 本研究建立了一种基于图像的评估程序,用以评估 TPMs 在多次电弧射流暴露下的可重复使用性。采用 0.4  MW 电弧加热风洞对针刺结构碳/碳化硅(NP-C/SiC)复合材料进行电弧风洞试验,以模拟大气再入条件。施加 3.12  MW/m2 的热通量,对两个试样分别进行 10 × 60 s和 4 × 150 s 的重复暴露。试验期间,使用高温计和热电偶实时测量表面及内部温度,并测量表面烧蚀后退率和质量损失。通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和能量色散 X 射线光谱仪(EDS)观察表面氧化行为。采用 micro-CT 获取感兴趣区域(ROI)内的孔隙率数据,并进行基于图像的有限元分析(FEA),计算微观结构变化对热导率的影响。 试验 将碳纤维束和短纤维网交替堆叠,随后用带刺针穿过厚度方向(z 向),以机械方式缠绕纤维层,从而提高层间结合强度。材料经历结合聚合物浸渍裂解(PIP)和液相渗硅(LSI)的致密化工艺,显著降低残余碳含量,提高抗氧化性能。所得 NP-C/SiC 复合材料的密度约为2.0 g/cm3,制备的两个试样分别命名为 NPCS-01 和 NPCS-02。 重复电弧风洞试验分为 Test-1 和 Test-2,在三个阶段评估试样状况:试验前(Pre)、第一组暴露完成后(Post-1)及所有暴露完成后(Post-2)。为研究重复次数和暴露时长对热防护性能及可重复使用性的影响,在保持总热载荷和热通量恒定的前提下,对 NPCS-01 和 NPCS-02 试样分别进行 10 次 60 s 和 4 次 150 s 的暴露,总暴露时间均为 600 s。 图:重复电弧风洞试验流程图 图像处理和模拟 使用 […]

基于 ReaxFF 模拟揭示废弃胶片超临界水气化制氢机理

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研究背景 废弃X射线胶片是医学成像中产生的典型危险废物,其含银乳剂层与难降解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材的高效处理直接关系到重金属污染与塑料污染的防控。传统处理方法中,湿法冶金相对环保且能生产高纯度产品,火法冶金操作简便、适合大规模处理,但二者均无法高效、环保地转化胶片中的有机组分。超临界水气化(SCWG)则可实现有机组分的均相气化与制氢,在废弃胶片资源化方面表现出明显优势。然而,SCWG 过程涉及复杂的自由基反应,其微观反应机理仍未得到系统阐明。因此,结合实验与分子动力学模拟系统研究废弃X射线胶片在超临界水中的气化特性与内在机理,将有助于推动这类医疗危险废物的可持续处置与高值化利用。 研究内容 本研究以废弃X射线胶片中的主要有机成分 PET 为代表性材料,采用密度泛函理论计算与 AMS 的 ReaxFF 分子动力学模拟相结合的方法。具体而言,利用 AMS 的 ADF 模块对 PET 分子结构进行几何优化,并分析反应能量壁垒;同时通过 ReaxFF 分子动力学模拟研究 PET 在超临界水环境中的分子演化过程,包括分子链断裂、重结合及气化产物生成等动态行为。 图1显示不同温度下实验数据与分子动力学(MD)模拟结果的对比。实验获得的H2和CO产率与MD模拟结果具有良好的一致性,表明 MD 方法可用于模拟 PET 在超临界水中的分解过程。H2 和 CO 同时反映了水-气转化、蒸汽重整、甲烷化以及自由基分解等核心反应路径的方向和强度。 图 1. 不同温度下实验数据与模拟数据的对比:(a)二氧化碳气体产率;(b)氢气气体产率 图 2 显示,从机理上看 H・与・OH 主要来自水分子均裂和 PET 断键,升温通过提高分子动能和碰撞频率加速其生成;CO 源于 PET 碳链热裂解与水蒸气重整,这类吸热反应在高温下热力学和动力学均更有利,生成速率与产率随温度持续升高;CO2 由 CO 与・OH 氧化生成,受温度和前驱体浓度共同调控,温度依赖性较弱;H2 来自 H・复合、有机中间体脱氢及水煤气反应,高温下 H・浓度与活性高、水煤气反应加剧,使其成为对温度变化最敏感的物种之一。 图 2. 分子动力学模拟中不同温度下主要粒子数量随时间的变化情况:(a) H 自由基;(b) OH […]

分子掺杂无序有机半导体器件的三维动力学蒙特卡洛建模

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研究背景 近日,华南师范大学华南先进光电子研究院彩色动态电子纸研究所周国富教授团队刘飞龙副研究员课题组在《Journal of Applied Physics》发表题为“Three-dimensional kinetic Monte Carlo modeling of disordered organic semiconductor devices with molecular doping”的研究论文。该工作面向含分子掺杂注入层的完整有机发光二极管(OLED)器件,系统比较三维动力学蒙特卡洛(3D-KMC)模拟与传统一维漂移-扩散(1D-DD)模型,揭示了离散库仑作用、载流子局域化和能级无序对器件电流、耗尽层及瞬态响应的关键影响,并用统一的微观参数较好复现了实验电流密度-电压特性。 分子掺杂是提升 OLED 性能的重要手段。通过在电极附近引入掺杂注入层,可以促进载流子跨越较大的电极/有机界面能垒,降低器件开启电压并改善电荷注入。然而,无序有机半导体中的载流子并非在连续能带中自由运动,而是在能量无序的局域分子位点之间跳跃;电离掺杂分子还会与载流子发生库仑相互作用,形成整数电荷转移复合物(ICTC)。这些微观效应能否被常用的 1D-DD 连续模型准确描述,是实现 OLED 器件预测性模拟需要回答的关键问题。 研究内容 传统 1D-DD 模型通常把电离掺杂剂简化为空间电荷密度写入泊松方程,具有计算高效、便于开展完整器件模拟等优势,但难以显式描述能级无序、离散跳跃以及载流子-掺杂剂之间的库仑束缚。为此,研究团队采用Bumblebee软件中的3D-KMC 方法,从分子尺度追踪载流子的注入、跳跃、输运与复合,并在参数一致的条件下与 1D-DD 模型进行对照。研究对象由单掺杂层器件进一步扩展到双极性 P-N 结和含掺杂层的多层 OLED,从而把此前针对局部金属/有机界面的认识推进到完整工作器件。 在未掺杂参照器件中,经统一标定后的 1D-DD 模型与 3D-KMC 模拟能够较好吻合;一旦引入分子掺杂,两种方法便在特定条件下出现明显差异。尤其在低掺杂浓度、较高注入势垒和较强库仑作用条件下,1D-DD 会系统性高估器件电流。3D-KMC 结果表明,注入载流子会受到电离掺杂剂的库仑束缚并形成 ICTC,使掺杂层中的有效迁移率下降,而这一离散俘获机制在连续模型中被平均化处理。随着掺杂浓度升高,静电屏蔽增强、移动载流子增多,ICTC 引起的迁移率抑制减弱,分子掺杂可逐步将肖特基型注入接触转变为近欧姆接触。 图1 不同注入势垒、温度和掺杂浓度下的模拟 J-V 特性。实线为 1D-DD 结果,点线为 3D-KMC 结果 载流子空间分布进一步揭示了两类模型差异的来源。在较低注入势垒下,两种方法给出的稳态载流子浓度分布较为接近,电流差异主要来自有效迁移率;在 0.5 eV 的高注入势垒下,1D-DD […]

电子杂化调控稀土RE₂In合金相变性质

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研究背景 相变是凝聚态物理与功能材料领域的核心研究方向,相变性质直接影响材料的应用性能。在新兴的磁制冷技术中,一阶相变伴随潜热、熵变数值大,但普遍存在磁/热滞损耗;二阶相变无滞后、循环稳定性优异,制冷温区更宽,但磁熵变峰值偏低。近年来,科研人员发现在磁制冷材料中引入外来元素,不仅能调节相变温度,在某些情况下甚至还能改变材料本身的相变性质。例如,本征的 Eu2In 铁磁材料发生一阶相变,但当掺杂非磁性 Yb 形成 Eu1.25Yb0.75In 时,相变转变为二阶相变;当两个本身都发生一阶相变的铁磁材料 Pr2In 和 Nd2In 形成 PrNdIn 合金时,竟出现所谓的“边界一阶相变”。针对掺杂改变相变性质的科学问题,现有研究仅聚焦单一母相的本征电子结构,相变性质演化的微观电子起源缺失,从而制约了相变性质的定向设计。南京大学陆海鸣副教授课题组以稀土 RE2In 合金为研究对象,结合第一性原理计算与朗道-金兹堡自由能展开理论,系统探究了相变性质演化的电子起源。以 Yb 掺杂的 Eu2In 体系为模型体系,定量引入模-模耦合系数b作为相变判据(b为负对应一阶相变,b为正则对应二阶相变),通过计算费米能级附近的态密度,揭示驱动相变性质演化的特定位点轨道杂化作用;并借助化学掺杂、静水压双重调控手段验证机制,澄清 PrNdIn “边界一阶相变”的本质为弱一阶相变;最终基于杂化工程理论设计出新型一阶磁制冷材料 ErPrIn,实现了从机理阐释到材料预测的闭环。 研究内容 图 1、Eu2-xYbxIn的无磁态电子结构与模-模耦合系数。(a)Eu2In、(b)Eu1.75Yb0.25In、(c)Eu1.50Yb0.50In、(d)Eu1.25Yb0.75In在费米能级附近的总态密度、和(e)模-模耦合系数随Yb掺杂浓度的变化关系 Eu2In 金属间化合物因兼具巨磁热效应、低热磁滞后等优势,成为理想的磁制冷材料。其具有正交 Co2Si 型结构,存在两种不等价的 Eu 位点——Eu-I 和 Eu-II。由于 Yb 掺杂的 Eu2In 体系有充足的相变性质演变的实验数据可供参考,作者选取 Eu2-xYbxIn(x 为 Yb 掺杂浓度)作为模型体系。通过第一性原理计算,发现当Yb 逐渐替代 Eu 时,Yb 优先占据与 In 键合更强的 Eu-II 位点。通过计算不同 Yb 浓度下 Eu2-xYbxIn 的无磁态电子结构与模-模耦合系数 b(图 […]

从单轴到双轴:电势驱动下 IrN₄ 活性位点配位构型的动态演变与 C-N 偶联前体锁定(Nano Research 2026)

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研究背景 甲烷(CH4)作为天然气的主要成分,是极其丰富的碳基资源。然而,由于甲烷具有极其牢固的 C-H 键(键能高)以及非极性特征,其在温和条件下的选择性活化与高值化利用一直是化学与催化领域极具挑战性的科学难题。传统的甲烷转化工艺往往依赖于高温高压的蒸汽重整或甲醇中介胺化,不仅能量消耗巨大,且伴随着极低的碳利用效率与显著的温室气体排放。近年来,电化学甲烷活化技术重塑了这一领域,实验研究已证实可在温和条件下实现甲烷的氨化反应生成甲胺,但微观反应机理尚不明确,且传统氧化物催化剂的活性位点结构复杂,深层反应机制与选择性调控规律仍不清晰。石墨烯负载的氮掺杂碳单原子催化剂(M-N-C)凭借其明确且可调控的活性中心,成为阐明反应机理的理想平台。其中,具备 IrN4 活性中心的 Ir-N-C 单原子催化剂因 5d 过渡金属 Ir 具备空间延伸且能量灵活的 d 轨道,且对氧亲和力相对较弱,在选择性活化甲烷及抑制析氧副反应(OER)方面展现出独特潜力。基于此,清华大学化学系肖海教授团队在期刊《Nano Research》上发表了题为“Potential-induced bis-axial coordination in Ir-N-C single-atom catalyst delivers selective C-N coupling for efficient methane amination”的最新研究论文。作者采用巨正则系综密度泛函理论(GCE-DFT)结合周期性能量分解分析(PEDA/EDA-NOCV)及活化应变模型(ASM),系统揭示了阳极电势下 IrN4 单原子活性位点的轴向配位动态演变机制及其对 C-N 偶联选择性的调控本质。 研究内容 作者利用恒定电位下的巨正则系综密度泛函理论(grand-canonical ensemble density functional theory, GCE-DFT)计算,系统解析了工况条件下 IrN4 活性中心随电势和 pH 变化的结构演化规律(图1)。在 U = 1.20 V v.s. RHE 和 pH = 10 的典型阳极环境中,IrN4 位点展现出独特的化学选择性:CH4 优先吸附活化脱氢生成单轴配位的 *CH3 […]

QuantumATK 低维电子材料与器件合集(九)

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铁电调控能带排列增强 BAs/In2S3 铁电隧道结的隧穿电阻 本研究设计了基于 BAs/In2S3 范德华异质结构的二维铁电隧道结,并研究其输运特性。在低偏压下,不同极化态的电流幅值存在显著差异,产生高达 108% 的巨大隧穿电阻(TER)比。投影能带分析表明,铁电极化反转使能带排列由 III 型转变为 I 型。进一步分析发现,极化反转改变了总电荷转移,并相应调节 BAs 与 In2S3 层中费米能级的位置,进而导致金属态与半导体态之间的转变,实现高 TER 比。结果显示,这类高性能二维铁电隧道结在非易失存储器和铁电场效应晶体管中具有重要应用潜力。(Computational Materials Science, 2025, 253: 113823. DOI: 10.1016/j.commatsci.2025.113823.) 双层 GaN 纳米片:面向下一代晶体管的潜在沟道材料 氮化镓(GaN)是一种很有前景的第三代半导体,氢钝化翘曲双层 GaN 具有独特的电子特性。本研究利用第一性原理量子输运模拟评估栅长为 5 nm 的双层 GaN 金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。器件性能对电极掺杂浓度和欠叠长度高度敏感。优化后的 n 型/p 型器件在低功耗应用中的导通电流分别为 1059/689 μA/μm,在高性能应用中分别为 2037/1247 μA/μm;对应延迟时间分别为 0.053/0.078 ps 和 0.047/0.073 ps,功耗分别为 0.033/0.032 fJ/μm 和 0.057/0.054 fJ/μm。这些指标超过 IRDS 对“5 Å 等效节点”的目标。在相同工作条件下,双层 GaN MOSFET 的导通电流优于单层 MoS2、InSe、InP、硅烯和锗烷。总体而言,双层 […]

面外极化增强的亚 5 nm Janus MoSiGeN4 场效应晶体管设计

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研究背景 随着晶体管栅长缩小到亚 10 nm,传统硅基场效应晶体管不可避免地受到短沟道效应限制,难以同时满足高性能(HP)和低功耗(LP)应用需求。二维半导体具有原子级厚度和无悬挂键表面,有利于增强栅控能力、抑制短沟道效应,因此成为后硅时代超短沟道晶体管的重要候选材料。本研究以 Janus MoSiGeN4 单层为沟道材料,利用 QuantumATK 中基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法(DFT-NEGF)系统研究亚 5 nm FET 的工作机理、性能极限和优化策略,重点揭示内禀面外极化场在增强器件性能中的作用。 研究内容 研究首先比较了非极性二维半导体和极性 Janus 二维半导体在短沟道 FET 中的差异。对于 MoSi2N4、MoGe2N4 等非极性材料,上下表面对称,顶栅和底栅器件在零偏压和零栅压下具有相同电子势垒。相比之下,Janus MoSiGeN4 由于结构反演对称性破缺,形成面外极化,使顶栅和底栅器件具有不同势垒,从而为提高开态电流和改善亚阈值特性提供可能。 图 1.(a)基于“非极性”和“极性”二维半导体的场效应晶体管(FET)示意图。非极性(b1–d1)和极性(b2–d2)二维半导体的几何结构、有效势能及静电势差,分别以 MoSi2N4/MoGe2N4 和 MoSiGeN4 表示。在零偏压和栅极电压下,(e1)MoSi2N4 和(e2)MoSiGeN4 基 FET 的顶栅(Φe(TG))与底栅(Φe(BG))电子势垒。(f1)MoSi2N4 和(f2)MoSiGeN4 基 FET 的亚阈值斜率(SS)。 随后分析 MoSi2N4、MoSiGeN4 和 MoGe2N4 三种单层材料的几何结构和电子结构。计算结果表明,Janus MoSiGeN4 是稳定半导体,带隙约为 1.31 eV,介于 MoSi2N4(1.81 eV)和 MoGe2N4(1.02 eV)之间。由于面外电势不对称,MoSiGeN4 中存在从 Si 原子层指向 Ge 原子层的极化方向。在器件性能方面,构建以 MoSiGeN4 为沟道的双栅 FET,并与 MoSi2N4、MoGe2N4 器件进行对比。结果显示,7 nm 栅长 MoSiGeN4 FET 的开态电流达到 1030 μA/μm,更接近 HP 标准;5 nm 栅长器件开态电流达到 1015 μA/μm,超过 HP 标准约 12.8%。同时,MoSiGeN4 器件的亚阈值摆幅优于对照材料,说明面外极化有助于提高栅控效率。 图 2. 单层(a)MoSi2N4、(b)MoSiGeN4 和(c)MoGe2N4 的顶视图、侧视图及能带结构,虚线标记的菱形代表晶胞。(d)双栅极场效应晶体管的示意图。(e)7 nm 和(f)5 nm 栅长 MoSi2N4/MoSiGeN4 和 […]

Cl©Zn6O6−:首个平面六配位氯超卤素,兼具超强稳定性与独特电子结构

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研究背景 探索平面超配位及非常规键合模式,在半个多世纪以来不断挑战着经典化学键理论的边界。自 1968 年 Monkhorst 提出平面四配位碳的设想以来,该领域已从碳元素逐步拓展至硼等其他主族及过渡金属等诸多元素。然而,卤素因极高的电负性和局域轨道特性,难以实现有效的电子离域,一直被视为平面超配位设计的难题,直至近年才相继实现了平面四配位和五配位卤素结构的突破。面对能否将这一理论极限延伸至六配位结构的科学疑问,近日,Gabriel Merino 教授团队在 Chemical Science 期刊发表了题为“Planar hexacoordinate chlorine”的研究论文,报道了首个设计成功的热力学稳定平面六配位氯团簇。这不仅证实了平面六配位卤素的可行性,更将其与超卤素化学相结合,为主族元素化学研究提供了全新的设计思路。 研究内容 通过理论计算确立了Cl©Zn6O6−(1)的几何构型,其呈现出完美的 D6h 星型对称结构,中心氯原子被六个锌原子和六个氧原子包围。该结构在所有测试理论水平下均无虚频,确证为真正的能量极小点。键长与 Wiberg 键级(Wiberg bond indices, WBIs)分析表明,Cl–Zn 键长(2.94 Å)远长于标准共价单键,且键级仅为 0.08。自然布居分析(natural population analysis, NPA)揭示了独特的“负-正-负”电荷分布模式(Cl: −0.76; Zn: +1.39; O: −1.43 |e|),表明该结构具有一个稳定的平面核-壳(planar core–shell assembly)组装体[Cl−]©[Zn6O6] (图1)。这种特殊的静电环境有效缓解了 Zn6O6 环内的排斥力,使得 Cl− 的插入反应释放出高达 -70.5 kcal/mol 的能量,证明了其极强的热力学稳定性。进一步的研究发现,中心原子与配体环的尺寸匹配是实现稳定的平面六配位的关键:F 原子因半径过小、而 Br 原子因半径过大均导致结构存在虚频而无法稳定存在,唯有 Cl 原子与刚性 Zn6O6 环完美契合。动力学模拟(Born–Oppenheimer molecular dynamics, BOMD)结果显示,该团簇在高达 900 K […]

Janus MoSi2N2P2 单层在纳米器件和光电晶体管中的应用

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研究背景 二维 MA2Z4 材料因具有优异的热稳定性、力学稳定性、可调电子结构和较高载流子迁移率,已成为低维电子学和光电子学中的重要候选体系。Janus 结构通过在材料上下表面引入不同原子层,打破面外对称性,为调控能带、极化、输运和光响应提供了新的自由度。此前 Janus MoSi2N2P2 的稳定性和光学性质已有理论预测,但其电子输运、场效应调控和光电响应等器件行为仍需进一步阐明。 研究内容 该研究首先构建了 α1 和 α2 相的 MoSi2N2P2、Mo(SiNP)2-A 和 Mo(SiNP)2-B 单层,并对其进行结构优化。声子谱、AIMD 热稳定性和弹性常数计算表明,这些二维单层具有良好的结构稳定性、热稳定性和力学稳定性。其中 MoSi2N2P2 单层兼具较好的柔性和尺寸稳定性,适合进一步用于柔性、超薄纳米电子器件的设计。 图 1. α1 和 α2 相的 MoSi2N2P2、Mo(SiNP)2-A 和 Mo(SiNP)2-B 单层的俯视图和侧视图(不同颜色小球分别表示 Mo、Si、N 和 P 原子) 在电子结构方面,能带和态密度结果显示,MoSi2N2P2 单层具有较窄带隙,有利于低电压下载流子注入和调制。进一步计算载流子迁移率,发现 Janus MoSi2N2P2 在 x 方向的迁移率高于 y 方向;其中 α1 相在 x 方向的载流子迁移率相较 MoSi2N4 有明显提升,并可与 MoSi2P4 的性能相媲美。 图 2. MoSi2N4、MoSi2P4 以及不同 Janus MoSi2N2P2 相关单层的投影能带结构和态密度。 随后,构建基于 Janus MoSi2N2P2 的 p-n 结二极管,并分别考察 zigzag 与 armchair 方向的电子输运特性。结果表明,该类器件具有明显整流效应;其中 α1 相 Z-type p-n 结在中等掺杂浓度下峰值电流密度达到 270.37 mA/mm2,并表现出负微分电阻现象,显示其在低维整流器和多值逻辑器件中的应用潜力。 […]

 
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