研究 C20 富勒烯中乙炔键的影响：在光电设备和阳极材料中的应用 本研究深入探讨了 C80 富勒烯的各种特性，C80 富勒烯是在最小的富勒烯 C20 的每个链中加入乙炔键而得到，利用先进的理论计算证实了 C80 富勒烯的稳定性。值得注意的是，它具有有限的能隙（0.743 eV），因此被归类为半导体。通过对不同能量成分、电子密度拓扑描述符和化学反应性参数的研究，进一步了解其结构稳定性、成键性和反应性。由于 C80 富勒烯具有较高的电子亲和能（5.5 eV），因此可以充当自由基清除剂。光谱分析揭示了 C80 富勒烯在近红外区域的吸收性，以及在特定电磁波谱区域可忽略不计的光学透明度。此外，还研究了 C80 富勒烯作为锂离子电池阳极材料的可行性。锂离子与 C80 富勒烯的 C 原子间存在低吸附能（-1.693 eV）和大量的 Bader 电荷转移（0.917 e），这证实锂离子在 C80 富勒烯上发生了化学吸附。值得注意的是，这个笼子可以容纳 12 个锂离子，C80 富勒烯结构中的每个五边形都有一个，理论电容为 335 mAh/g。（Applied Surface Science, 2025, 681: 161499. DOI:10.1016/j.apsusc.2024.161499） 单相六方结构作为低温固体氧化物燃料电池阴极的协同效应及电催化研究 提高电极材料在较低工作温度（600℃）下的电催化活性，特别是氧还原反应（ORR），是实现固体氧化物燃料电池（SOFCs）商业化研究的首要任务。在此基础上，利用 SrFe12O19 氧化物中分别共掺杂 Gd2O3 和 Cr2O3 制备一种新型六方结构正极材料。在 550 ~ 475 ℃ 下，Sr0.90Gd0.10Fe11.90Cr0.10O19（SFO-10）阴极样品的峰值功率密度（PPD）高达 395 mW/cm2， x 射线光电子显微镜（XPS）证实其表面氧缺陷（Oβ）高达 17%。理论计算表明，Gd 和 Cr 的共掺杂在六方晶格处产生晶格无序，降低了离子输运的能垒，提高了 ORR 的电催化性能。因此，SFO-10 阴极在掺杂钆的铈（GDC）电解液中表现出良好的 ORR 活性，在 550 °C 时具有最低的低极化电阻（ASR）。本研究提供了一种自组装的单相六方阴极，可以加速 SOFC 技术的低温阻碍。（Journal of Rare Earths, 2024. DOI:10.1016/j.jre.2024.06.027） 第一性原理计算预测 SiP2 单层作为 Na/K 离子电池的潜在负极材料 本研究基于密度泛函理论（DFT）对单层 SiP2 作为 Na/K 离子电池潜在负极材料的系统可行性进行分析。通过从头算分子动力学（AIMD）计算，结果表明 SiP2 具有出色的稳定性。超低的离子扩散势垒（Na 为 0.107 eV，K 为 0.043 eV）以及碱金属离子吸附后的金属特性表明，当用作负极时，SiP2 具有快速的充放电速率和出色的电导率。此外，它还具有相当大的理论存储容量（Na/K：446.53/595.38 mAh/g）和能量密度（Na/K：1026.91/1322.46 mWh/g）。这些发现表明，单层 SiP2 作为 Na/K 离子电池的潜在负极材料具有优越的性能。（Surfaces and Interfaces, 2024, […]
基于 FIB 重建纳米多孔网络的结构和力学性能数据集
概述 本数据集论文构建了一套完整的档案资料，包含纳米多孔金（NPG）结构的三维断层扫描重建图像文件、有限元模拟用体积网格文件、结构及其力学性能的表格数据。该存档数据可作为纳米多孔网络材料的数据库，在材料科学领域重复应用于数值模拟、增材制造、机器学习等。 基础材料为由脱合金工艺制备的纳米多孔金，固体分数约 0.30，韧带尺寸范围是 20-400 nm。使用 Simpleware 软件对 FIB/SEM 图像数据进行重建，获取纳米多孔网络的比表面积、固体体积、固体体积分数等结构参数，评估三维微观结构的连通性。在 Simpleware FE 模块生成体积网格模型后导入 Abaqus 软件，分别沿三个主轴方向进行单轴压缩下的力学响应评估，根据所得应力-应变曲线确定每个结构的杨氏模量与屈服强度。由真实应变增量分析弹性与塑性泊松比。 数据描述 五种不同的纳米多孔结构以韧带尺寸 L区分，L = 20 nm的试样代表脱合金状态，其余较大韧带尺寸试样是通过热退火期间的表面扩散获得。 图：数据集的工作流程（a）通过 FIB/SEM 成像获得双连续纳米多孔金网络的 3D 断层扫描重建模型（b）使用 Simpleware 软件生成四面体体积网格模型（c）采用 Abaqus 软件计算工程应力-应变曲线展现试样的力学响应（d）由之前步骤获得的结构和力学参数列表 为确保体素接近各向同性，三个轴向的体素厚度相当。根据各个试样的特征结构尺度匹配对应的体素分辨率，并随韧带尺寸增大。依据代表性体积的边长应大于韧带尺寸的 15 倍，裁剪出代表性体积单元作为能够准确获取 NPG 试样材料关键微观结构参数与力学性能的最小体积。通过 Simpleware 软件中 Measurements 区域的统计工具得到表面积、体积、体积分数，计算比表面积。 表：重建 3D 图像的平均韧带尺寸（直径）、体素数量、体素尺寸和试样尺寸 表：具有不同韧带尺寸 NPG 试样的结构与力学参数数据集 数据集中包含四种主要数据类型：（1）实验制备 NPG 的三维断层扫描重建图像文件（2）基于断层扫描数据生成的体积网格模型文件（3）通过有限元模拟获取的力学响应数据，包含应力-应变行为和泊松比（4）NPG 试样的结构与力学性能汇总表。 图：数据集文件的结构组成 网格划分 通过阈值工具进行图像分割，并将独立的孤岛删除，即对力学性能没有贡献的断连部分。在 Simpleware FE 模块设置网格划分参数： 网格划分算法：FE Free […]
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 V）条件下，展现出完全可逆的光电导行为，“开”态与“关”态之间的接触电阻比高达 104 至 105。 图1. M@Au12超原子团簇的关键的几何结构和电子结构及其热力学稳定性 根据球形凝胶模型，[Au13]⁵⁺ 形成具有 8 个价电子的超原子构型（1S²1P⁶）。当中心 Au 原子被其他元素取代时，掺杂原子价电子数的降低导致凝胶势上移。其中，中心原子为 Au 或 Pt 的体系仍保持 8 电子超原子构型，而其他四种掺杂元素则呈现 18 电子构型（1S²1D¹⁰1P⁶）。这种构型差异主要取决于异质原子是否参与超原子轨道的成键作用。对于 Au 和 Pt 而言，其内核原子的电子排布为 5d¹⁰‖6s⁰，即 d 轨道完全填充，因此在与 Au₁₂ 笼相互作用时不参与超原子轨道构成，形成 8 电子构型。而对于其他掺杂原子，由于 d 轨道未完全占据，在与 Au₁₂ 笼作用时发生强轨道杂化，从而填充 d 轨道，形成 18 电子构型。进一步对更多 4d 和 5d 过渡金属掺杂的研究证实，d 轨道为单电子全占据的原子倾向于形成 8 […]
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。 图2. V2Te2O 和 Cr2Se2O 的原子结构、能带以及费米面处能带劈裂 Cr2Se2O 的面外衰减系数 k 通过计算复能带得到。在倒空间中，可以观察到其也具有交错性质的衰减，在 Γ 点附近，自旋向上与自旋向下的电子具有几乎相同的衰减率。然而，具有不同自旋电子的衰减在 Γ-X 和 Γ-Y 方向上发生反转，且该区域的衰减较 Γ 点附近更大。 图3. 费米面附近 Cr2Se2O 的面外衰减系数 该 AMTJ 器件采用 2D 交错磁金属 V2Te2O 作为电极，2D 交错磁半导体 Cr2Se2O 作为绝缘层，其具有三种操作状态：平行态（P），电极和绝缘层的 Néel 矢量方向相同；中间态（I），绝缘层与电极的 Néel 矢量相反；反平行态（AP），两电极的 Néel 矢量方向相反。通过分析透射谱，可以发现，与 P 态相比，I 态在 Γ-X 和 Γ-Y 方向的透射明显减弱；而在 AP 态下，Γ-X 和 Γ-Y 方向的透射进一步被抑制。尽管如此，在 AP 态下，Γ 点附近的电子隧穿仍然存在，这表明该态下存在一定的传输通道。 图4. AMTJ 器件图以及不同操作状态下的的透射谱 通过改变中间绝缘层 Cr2Se2O 的层数发现，随着层数增大，TMR 呈现减小趋势。P 态的 TMR 从 220% 减至 40%，I 态从 137% 降到39%，与之前的理论分析一致。通过透射谱可以看出，Γ-X 和 Γ-Y 方向的透射随着层数增大有很明显的衰减，而 Γ 附近的透射仍就保持。 图5. TMR 和透射谱随着 Cr2Se2O 层数的变化情况 本研究还探讨了使用非磁性绝缘层材料 ZnSe 以及交错磁 V2Te2O 电极的隧穿结结构，以解决由相邻交错磁性层之间的强交换相互作用可能引起的磁不稳定性问题。ZnSe 是一种具有 2.26 eV 直接带隙的半导体。随着势垒厚度的增加，在 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 中，TMR 从 206% 降至 0.9%，呈现出与全交错磁性结构类似的趋势。这一现象源于交错磁性材料中自旋简并和非简并 Bloch 态的共存，它们通过势垒的衰减速率不同。当自旋简并态衰减较慢时，便出现了反常的衰减行为，无论绝缘层是否为交错磁材料。 图6.（a）ZnSe 以及（b）V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 器件原子结构示意图，（c）ZnSe 的能带结构（d）TMR 随 ZnSe 层数的变化 总结 本研究揭示了交错磁性隧穿结中 TMR 随着势垒厚度增加而下降的反常缩放行为。其背后的机制在于自旋简并态引发的持久传输通道，该通道在 P 与 AP 配置切换时几乎不受影响。为了解释这一现象，构建简化的双势垒模型区分有效和无效的自旋选择性传输。有效部分源自自旋劈裂态，随着势垒厚度增加迅速衰减，而无效部分则衰减较弱，并在较大厚度时主导总体传输。TMR 是否表现出反常的缩放行为，主要取决于有效区域和无效区域之间的衰减差异。通过在全交错磁 V2Te2O/Cr2Se2O/V2Te2O AMTJ 和非磁性 ZnSe 绝缘层的 AMTJ 上进行第一性原理量子输运模拟，验证了这一反常行为。研究结果不仅深入揭示了交错磁性材料的基本输运行为，还强调了影响基于交错磁性的磁性隧道结性能的关键设计因素。 参考文献 Z Yang, X Yang, J Wang, et al. Unconventional thickness scaling of coherent tunnel magnetoresistance in altermagnets [J]. Physical Review B, 2025, 112 (20): […]
保留髋关节骨骼的定制植入物设计
概述 髋臼骨溶解是髋关节置换术的常见并发症，由于植入物周围骨质流失导致松动将影响长期疗效。骨质流失的原因包括金属对聚乙烯轴承的磨损和假体周围感染，引发炎症从而破坏骨组织。 传统的 X 射线难以有效检测骨溶解，限制了骨质流失的早期识别，而 CT 扫描为规划翻修治疗评估骨质流失则更精准。英国皇家国家骨科医院（RNOH）的 Simpleware 软件用户通过 3D 打印的定制植入物重建严重的骨缺损并恢复丢失的骨结构。RNOH、Synopsys 和 implantcast GmbH 公司合作的治疗方法旨在最大限度地减少骨切除、改善定制植入物放置和手术效果。 亮点 定制化工作流程改善复杂骨科病例的术前计划 Simpleware 软件中基于 AI 的图像分割技术可加快实现从设计到手术的工作流程 与设计工具及术后复查的整合形成反馈循环，提高精度、降低并发症风险并支持更好的长期患者预后 定制植入物设计 在该工作流程中，RNOH 的外科医生筛选需要先进手术干预的复杂患者病例，例如存在严重骨质流失。Implantcast 公司的植入物设计师采用 Simpleware 软件根据患者 CT 扫描数据生成虚拟骨骼模型，基于人工智能的自动分割和解剖标记工具可简化此流程，随后通过手动编辑选项处理严重的成像伪影和其他复杂情况。 然后在骨骼模型中进行定制植入物的设计与定位，确保其与解剖结构精准适配。植入过程配备一体化手术导板实现螺钉的准确定位，假体由钛金属 3D 打印制成。 图：规划定制植入物的流程 术前规划和术后护理 与传统植入物设计通常需要侵袭性切除相比，这种定制化方法的一个关键好处就是减少了骨切除的需求。植入物的精度能够优化固定，而内置导板可提高术中螺钉轨迹的准确性以适应每个患者的骨质量和解剖结构。 这种针对患者的适配提高了植入物的稳定性和对准，并降低手术及术后并发症的风险。手术后通过 CT 扫描确认精准的植入物定位、评估如骨生物力学的恢复等结果。继而将这些见解反馈到设计流程中，不断完善未来的植入物规划。 图：特定患者的3D 模型改善植入物的设计和放置，降低手术并发症的风险 总结 定制化 3D 打印钛金属植入物对于重建复杂的骨缺损非常有效。金属对金属（MoM）植入物骨溶解的早期干预对防止进行性骨丢失至关重要，而横断面 CT 成像在评估骨完整性中发挥着关键作用。 由 RNOH、Synopsys 和 implantcast 开发针对特定患者的个性化治疗方案，通过 AI 驱动的工具和快速的迭代设计有效缩短了规划时间。外科医生和工程师之间的这种协作模式有助于每位患者获得最佳治疗效果。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/bone-preserving-design.html 相关讲座视频 https://register.gotowebinar.com/register/5775681147322486623 Di Laura, A., Hart, A., Henckel, J., 2025. Advancing custom […]
解析燃料与载氧体的相互作用：化学链燃烧中H2、CH4和CO在掺杂铁基载氧体表面位点特异性吸附机理与驱动机制研究
研究背景 反应物在固体表面的吸附行为是研究反应机理的关键。在化学链燃烧中，铁基载氧体通过氧化还原反应传递晶格氧实现燃料高效利用。过渡金属掺杂可显著提升其反应活性，但掺杂引起的微观结构变化对H₂、CH₄、CO 等小分子燃料吸附行为的影响机制尚不明确。本研究采用 DFT 计算，系统研究气体分子在纯相及过渡金属掺杂铁基载氧体表面的吸附能、电子结构和相互作用机制。 研究内容 采用 AMS 计算软件中 BAND 模块中完成 H2、CO、CH4 等分子在过渡金属掺杂的 α-Fe2O3 模型表面的吸附行为计算。获得了反应物在载氧体表面最稳定的吸附构型。EDA 揭示了 H2、CH4 和 CO 在纯相及过渡金属掺杂载氧体表面的相互作用能范围分别为：H2 为 -1.33 至 -3.48 kcal/mol，CH4 为 -4.59 至 -7.26 kcal/mol，CO 物理吸附为 -3.37 至 -6.19 kcal/mol，化学吸附为 -37.68 至 -49.45 kcal/mol。其中，H2 与CO 的最优吸附位点为桥位，吸附能分别为 -2.214 与 -5.973 kcal/mol。CH4 的最稳定吸附为空心位，吸附能为 -5.420 kcal/mol。吸附能顺序为：化学吸附 CO > 物理吸附 CO > CH4 > […]
QuantumATK 催化合集（一）
设计菱锌矿型 CuAl1-xTMₓO2 固溶体：3d 过渡金属自旋态在光（电）催化性能中的作用 本研究系统地探讨了 3d 过渡金属（TM）自旋态对 CuAl1-xTMxO2 固溶体结构与电子性质的影响，并揭示其对光（电）催化性能的重要作用。结果表明，Jahn–Teller 畸变是决定晶格参数及光（电）催化活性的重要因素。对于不具有 Jahn–Teller 畸变的固溶体，其晶格参数遵循 Vegard 定律；而在具有强畸变的体系中，晶格常数偏离线性规律，说明 TMO6 八面体的结构畸变对固溶度及晶格结构具有显著影响。在电子结构方面，具有弱 Jahn–Teller 畸变的固溶体，其能带特征受 O–Cu–O 与 TMO6 晶场效应的共同调控，导致带隙收窄与导带底（CBM）降低，从而影响氢析出反应（HER）势能。特别是 CuAl₀.₅Cr₀.₅O₂，因其光吸收能力与载流子分离效率的良好平衡，表现出显著增强的光电流密度和产氢速率。相比之下，CuAl1-xFexO2 中较弱的 Jahn–Teller 畸变会在导带底形成局域电子态，导致载流子迁移率降低。此外，对于 Jahn–Teller 畸变较强的体系（如 CuAl1-xTMxO2，TM = Mn, Ni），其电子性质从半导体逐渐过渡到半金属。其中，半金属性 CuAl₀.₉Mn₀.₁O₂ 能有效吸收红外光，并实现高效的光催化产氢与产氧反应。本研究揭示了过渡金属自旋态与 Jahn–Teller 畸变在调控 CuAl1-xTMxO2 光（电）催化性能中的关键作用，为设计高效多功能氧化物光催化材料提供了理论依据。(Materials Today Energy, 2024, 45: 101669. DOI:10.1016/j.mtener.2024.101669) 高熵氧化物：光催化 CO2 氢化领域的研究新前沿 本研究探讨了纳米结构高熵氧化物（HEOs）在光催化 CO2 氢化反应中的潜力，该反应在环境可持续发展和能源转化方面具有重要意义。研究者制备了一系列基于铈氧化物的稀土高熵氧化物，其具有萤石型晶体结构，用于紫外光驱动的 CO2 光催化氢化反应以生成高附加值燃料和石化前体化合物。研究发现，阳离子组成对高熵氧化物的催化选择性和活性具有显著影响。其中，Ce0.2Zr0.2La0.2Nd0.2Sm0.2O2-δ 催化剂在常温条件下表现出优异的 CO2 活化能力（14.4 molCO kgcat⁻¹·h⁻¹ 和 1.27 molCH₃OH kgcat⁻¹·h⁻¹），其甲醇与 CO 的选择性分别达到 7.84% 和 89.26%，整体性能较纯 CeO2 提高了约 4 […]
拓扑半金属界面电阻率的标度行为在垂直互连体系中的应用
研究背景 随着集成电路特征尺寸持续向纳米甚至原子级别缩小，传统铜互连材料在高密度三维集成和垂直互连结构中的导电性能正面临严峻挑战。器件微缩导致的尺寸效应、界面散射与量子输运问题，使得金属互连的电阻率急剧上升，严重限制了器件的速度与能效。因此，寻找具有低界面电阻、高导电性和稳定尺寸标度行为的新型材料体系已成为先进互连技术的重要研究方向。 近年来，拓扑半金属因其独特的能带结构和高载流子迁移率，成为下一代电子互连材料的潜在候选。拓扑半金属在费米能级附近存在线状或点状狄拉克态，其电子输运特性受拓扑保护，能够显著抑制界面散射，从而在纳米尺度下保持较低的电阻率。这一特性为突破传统金属互连的性能瓶颈提供了新的可能。 然而，在器件实际应用中，界面效应仍是决定互连电阻的关键因素。随着器件尺寸的不断缩小，界面电阻率不再是常数，而表现出明显的标度行为，即其值随通道长度、厚度或界面粗糙度等几何参数变化而改变。理解并量化拓扑半金属界面的电阻率标度规律，对于准确评估其在垂直互连结构中的导电性能至关重要。 研究内容 本研究聚焦于拓扑半金属界面电阻率的标度行为及其在垂直互连体系中的应用。通过理论分析与计算模拟，探讨不同拓扑半金属在界面处的电子输运特征及尺寸依赖规律，旨在揭示拓扑保护态在降低界面散射、保持电阻稳定性方面的作用机制。这一研究不仅为理解拓扑材料的界面输运提供了新的物理图景，也为设计高性能、低功耗的三维互连结构提供了理论基础。 图 1. 所考虑各种界面结构的示意图（a）单界面结构（b）双界面结构，（c）和（d）是与（a）和（b）相同的界面结构，但在 y 方向上添加了真空以模拟薄膜。 对于单界面和双界面模型两种结构，考虑电子在体和薄膜中的传输，并通过在垂直于传输方向上添加真空来模拟。 图 2. 结构示意图（a）Cu(100)/Ta(100)（b）CoSi(100)/Ta(100)，动量分辨电子透射谱（c）Cu(100)/Ta(100)（d）CoSi(100)/Ta(100) k 分辨透射谱显示 Cu/Ta 界面的透射谱透射率可达 T= 7 的区域，而靠近 Γ 点处透射率较低。CoSi/Ta 界面的透射谱在 BZ 边界有 4 个小的 T= 2 的区域，而其他地方的透射谱为零。CoSi/Ta 界面结构的低透射率是由于 BZ 中 CoSi 的体电子态密度（DOS）极低，集中在区角的 Weyl 节点附近。与 Cu 相比，CoSi/Ta 界面上的低电子透射率转化为高比电阻率。 图 3.（a）Cu/Ta 和（b）CoSi/Ta 的局域电子态密度（LDOS），（c）Cu/Ta 和（d）CoSi/Ta 在不同薄膜厚度下的动量分辨电子透射谱 从计算的域态密度（LDOS）可以发现，对于 Cu/Ta 界面是均匀的 LDOS，在薄膜表面附近没有明显变化。然而，在 CoSi/Ta 界面，Ta 区域的 LDOS 分布均匀，但在 CoSi 表面处 LDOS 强烈局域化，CoSi 内部区域的 LDOS 几乎为零。这是由于存在的 Weyl 节点和由此产生的拓扑保护表面态从布里渊带的中心延伸到角落，在 CoSi 薄膜中产生相对较少的靠近费米能级的体态和大量的导电表面态所导致的。 从计算的动量分辨电子透射谱可以发现，对于 Cu/Ta，使薄膜更厚（从 […]
基于 Nano-XCT 数据创建多级结构水泥基材料中的 3D 多离子腐蚀模型
概述 混凝土结构中钢筋的腐蚀是一个全球性问题。为评估钢筋混凝土中钢筋的退化，需要精确描述混凝土基体中的电流、电势及各种物质的浓度分布。尽管混凝土基体是一种具有复杂微观结构的非均质多孔材料，但以往的研究常将质量传输视为在均质材料中处理，通过其他因素（孔隙率、紧缩性、迂曲度）修正整体传输系数，从而得到所谓的有效系数（如扩散系数）。 本研究提出一种新方法，通过高分辨率 X 射线计算机断层扫描（XCT）获取混凝土的真实三维微观结构，经过处理后生成用于有限元计算的网格模型，最终与多物质传输体系及电势方程耦合求解。该方法能够更真实地描述混凝土和钢筋表面的离子运动与反应，进而更精准地评估导致钢筋质量损失及其位置的阳极和阴极电流。 试样制备与表征 由重量比为 3:1:0.5的砂、水泥、水制备 100 mm、150 mm 的立方体和 40 × 40 × 160 mm 的柱体砂浆试样。对硬化 2 天、28 天、90 天的试样进行强度测试，对水中养护 28 天、90 天的试样进行吸水性测试，采用压汞法测量孔隙率。针对水灰比为 0.5 的试样，采用 30.3% 作为凝胶孔隙率的设定值。 表：测量所得砂浆特性 图像处理 使用 Nano-XCT 技术对砂浆试样进行扫描，将图像数据裁剪为直径 46.8 μm、高 39 μm 的圆柱体，导入 Simpleware 软件中进行处理。基于灰度阈值将结构分割为四个相：含凝胶孔的水泥、毛细孔、浅色颗粒、深色颗粒。在 Simpleware FE 模块，采用 +FE Free 算法为分割模型创建用于模拟的 2D 和 3D 网格。生成包含 2221768 个四面体单元 3D 网格的设置参数：目标最小长度 1.4 μm，目标最大误差 0.23 […]
用于 Dirac-源场效应晶体管的横向 graphene/MoS2 异质结
研究背景 随着传统硅基场效应晶体管（FET）器件尺寸不断缩小，器件功耗和亚阈值摆幅（Subthreshold Swing, SS）问题愈发突出，传统 MOSFET 已难以满足低功耗、高性能逻辑电路的需求。为突破硅基器件的物理极限，新型二维材料及其异质结构被广泛研究，尤其是石墨烯和过渡金属二硫化物（TMDs）等材料。石墨烯因其高载流子迁移率和零带隙的特性，可用作 Dirac 源极实现高效率载流子注入，而 MoS2 等半导体二维材料具有可调节的带隙和优异的开关性能，将其与石墨烯横向连接形成异质结，可同时兼具高开态电流与低亚阈值摆幅的优势。近年来，Dirac 源-FET（DSFET）作为新型低功耗器件方案受到了广泛关注，但器件性能受限于源极掺杂浓度、能带匹配以及界面载流子传输效率等因素，如何通过优化异质结构设计实现陡坡开关、低功耗高性能仍是亟需解决的关键问题。本研究通过构建横向石墨烯/MoS2 异质结构，系统分析源极掺杂对器件亚阈值特性和开态电流的影响，为二维材料 FET 的设计提供了理论指导。 研究内容 基于第一性原理计算和量子输运模拟，我们系统地研究了基于横向 graphene/MoS2 异质结构的 Dirac-源场效应晶体管（DSFET）的输运特性。首先，由于石墨烯源的掺杂浓度会显著影响界面的能带对齐，从而影响 DSFET 的性能。因此，考虑六种不同的石墨烯源掺杂浓度并计算电流-电压输运特性曲线。 图1.（a）graphene/MoS2 横向异质结构 DSFET 的原理图（b）不同掺杂浓度下 graphene/MoS2 横向异质结构 DSFET 的电流-电压特性 我们发现过低的掺杂浓度会减少开态下从石墨烯源极注入的载流子浓度，不利于开态电流。因此，石墨烯源极的适度掺杂浓度对于石墨烯/二硫化钼界面的理想能带排列至关重要，这有利于实现高开态电流和陡峭的 SS 值。 图2. 不同源掺杂浓度下 graphene/MoS2 异质结构 DSFET 的态密度 为更好地理解不同源极掺杂浓度下亚阈值摆幅（SS）值的差异，在图 3 中展示了石墨烯源极的态密度（DOS）、源极载流子浓度分布以及 MoS2 沟道在亚阈值区域的态密度。亚阈值摆幅值变化最陡峭的亚阈值区域对应于栅极电压从 0 到 0.2 V 的范围（从关态到开态）。在源极载流子浓度高达 1×10²⁰e/cm³ 时，石墨烯源极的狄拉克点远高于器件的费米能级。 图3. 石墨烯源的 DOS（左）、源极载流子浓度分布（中）和 MoS2 沟道的 DOS（右）在不同掺杂浓度下 graphene/MoS2 异质结构 DSFET 的亚阈值区 一方面，由于界面态的钉扎作用，器件从关态（OFF）到开态（ON）时的界面肖特基势垒（SB）略微降低，电流增加主要归因于 SB 变薄；另一方面，界面态在开态通过三角形 SB 缩短了隧穿路径，从而增强了开态电流。 图4. 不同掺杂浓度下，graphene/MoS2 异质结构 DSFET 在开态和关态下的局部器件态密度投影（PLDOS） 总结 […]