简介 二维范德瓦尔斯型铁电材料的可切换性给纳米级光伏器件的发展带来了更多的可能性。在本文中，北京大学吕劲老师课题组基于 QuantumATK 中密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）耦合的方法，研究了单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光电探测器在不同铁电极化状态下的光电效应，通过计算表明。结果表明当铁电极化方向切换的时候， $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光电探测器在特定波长和偏振方向下，可以产生 $69.2~mA/W$ 的光电响应率和高达 $10^7%$ 的光电流开关比。 单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 材料特性研究 理论上， $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 具有两种铁电相（WZ’ 和 ZB’），作者对两种单层相的能带结构，铁电极化和光吸收系数进行了计算。其中 ZB’-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 铁电极化强度的计算结果（面内和面外计算极化强度分别为$3.58×10^{−2}$ 和 $7.53×10^{−3}~C/m^{2}$）和实验结果（分别是 $2.67×10^{−2}$ 和 $1.33×10^{−2}~C/m^2$）高度一致。计算结果表明单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 的光吸收系数可以在可见光范围内达到 $10^5~cm^{-1}$，比传统 Si 和 GaAs 型光伏材料的吸收系数大一个数量级。 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光探测器中浓度和尺寸依赖的光电响应 作者设计了一个基于单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 的 p-i-n 型光电探测器，研究了在掺杂浓度和中心区本征长度改变的情况下器件光电响应率的变化情况。 结果表明掺杂浓度和中心区本征长度对光电响应的影响并不是单调的，如对WZ’-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光探测器而言，最佳掺杂浓度和本征区长度分别是 $10^{20}~cm^{-3}$ 和 $8~nm$，而对于 ZB’ […]
环栅硅纳米线场效应晶体管的性能极限
简介 由于环栅（GAA）硅纳米线（NW）场效应晶体管（FET）具有更好的静电栅控能力，它被认为是目前主流硅鳍式晶体管（FinFET）最有潜力的继承者之一。在即将来临的环栅硅纳米线晶体管时代，对硅纳米线晶体管性能极限的探究成为业界关心的问题。本文利用第一性原理量子输运模拟，对一维环栅硅线MOS晶体管的性能极限进行评估，并对其延续摩尔定律的能力给出合理可靠的预测。 使用环栅结构和足够细的硅纳米线沟道可以保证足够强的栅控，在有效抑制短沟道效应的情况下继续晶体管的尺寸缩放。为了方便描述源漏电极对沟道的影响，这里引入特征长度 $\lambda (\sqrt{\alpha \frac{\varepsilon_{ch}}{\varepsilon_{ox}}t_{ch}t_{ox}})$来表示源漏电场在沟道的穿透深度，其中 α 描述栅极几何结构，在单栅（SG）双栅（DG）、三栅（TG）以及环栅情况下，分别取值 1、1/2、1/3、1/4。$t_{ch}$ 和 $t_{ox}$分别代表沟道和栅氧化物的厚度；$\varepsilon_{ch}$ 和$\varepsilon_{ox}$ 分别代表沟道和栅氧化物的介电常数。如图1所示，从三维体材硅（Bulk Si）到单层硅烷（ML silicane）再到一维硅纳米线（1D Si NW），DFT 计算的介电常数从 $13\varepsilon_{0}$（实验值是 $11.9\varepsilon_{0}$）减小到 $2.8\varepsilon_{0}$ 并最终达到 $1.19\varepsilon_{0}$（0.6 纳米直径）。所以，减小硅纳米线的直径是进一步提升 5 nm 栅长下环栅硅纳米线晶体管性能的尝试方向之一。在实验上，硅纳米线的直径已经缩小到 1 nm。 图1 硅的介电系数随材料维度的变化图。 研究内容 本文选择直径为 1 nm 的硅纳米线作晶体管沟道，模拟了如图 2(a) 所示的环栅硅纳米线晶体管模型。经计算，电流集中在纳米线的中心位置（如图2(c)）。因此，除有特殊说明，本文讨论的环栅硅纳米线晶体管电流均为直径归一化处理的结果。如图3所示，在栅长为 5 nm 和 3 nm 的情况下，无论直径还是周长电流归一化方式，环栅硅纳米线晶体管的开态电流都要明显高于理论模拟的三栅硅鳍式晶体管以及双栅单层硅烷晶体管。以 ITRS 要求的高性能器件开态电流为基准，能够满足开态电流标准的三栅硅鳍式晶体管和单层硅烷晶体管，最小栅长均为 5 nm，而达到开态电流标准的环栅硅纳米线晶体管，最小栅长为 3 nm。 图2 (a) 环栅硅纳米线晶体管三维立体图， 沟道采用氢钝化的直径为 1 nm […]
分子动力学在电子材料与器件研究中的应用
创建非晶材料结构 铝隧道结是各种电子设备的关键部件。这些被称为约瑟夫森结（JJ）的超导隧道结是超导量子比特的主要组成部分之一，这是量子计算机竞赛中最受欢迎的量子比特技术。在这项模拟研究中，作者将JJ结构建模为两个铝电极，之间被一层薄的非晶氧化铝隔开，并提出了一项结合分子动力学、原子半经验方法（密度泛函紧束缚）和非平衡格林函数的计算研究，以研究这些结器件的电子结构和电流，尝试理解非晶氧化物势垒的结构如何影响性能和缺点。结果表明，与铝氧配位相关的非晶势垒的原子性质敏感的影响伏安特性、电阻和临界电流。氧化物化学计量数是一个重要参数，可导致电阻和临界电流的几个数量级变化。模拟进一步说明了由于具有相同化学计量、密度和势垒长度的非晶势垒之间原子结构的微小差异而产生的可变性。结果还证实，通过势垒的电荷传输主要由金属传导路径控制。（Lapham, P.; Georgiev, V. P. Computational Study of Oxide Stoichiometry and Variability in the Al/AlOx/Al Tunnel Junction. Nanotechnology 2022, 33 (26), 265201. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac5f2e） 验证制备材料的复杂结构 有关无定形硒结构的结果包含许多不确定性和矛盾，特别是关于聚合链与单体环谁更具优势。由于硒的晶体同素异形体在配位数、键长、键角和二面角方面的相似性，衍射径向分布函数的分析具有不确定性。在这里，作者采用了一种非常不同的方法，通过结构相变分析探讨了热力学不稳定非晶态的分子对称性，使用扫描透射电子显微镜验证了转化的亚稳态和稳定晶体结构的结构。此外，考虑到实验技术无法证实玻璃态半导体中精确的三维原子排列，作者使用基于力场的分子动力学进行了模拟，设计了一种真正的气相沉积过程，利用经验分子气相组成和密度将硒分子沉积到衬底上。模拟得到的气相沉积和熔融淬火样品的径向分布函数与实验非常吻合。实验和分子动力学分析的结合表明，气相沉积和熔融淬火的玻璃态/非晶态硒的结构非常不同，二者的主体分别基于环和链，反映了母相在热力学平衡中的主要结构。（Goldan, A. H., et al. Molecular Structure of Vapor-Deposited Amorphous Selenium. Journal of Applied Physics 2016, 120 (13), 135101. https://doi.org/10.1063/1.4962315） 分子动力学模拟得到的结构。两种颜色分别表示环状与链状结构（a：熔融淬火；b：气相沉积）。 验证分子体系自组装结构 完全芳香的螺旋烯是构建固有手性π-共轭大环纳米碳的有吸引力的构建块。这些迄今罕见的分子结构被认为具有显著的（手性）光学性质、自组装、电荷/自旋传输、诱导环电流或甚至Möbius拓扑结构。本文报道了以角二苯并[5]螺旋烯单元为顶角、以线性反式-苯乙烯-4,4′-二基连接体为边的螺旋手性大环的合成。使用空气AFM的优化PeakForce模式，可以研究螺旋烯环三聚体在HOPG表面上的其他高度移动立体异构体的自组装。无论立体化学如何，发现这些大环的边对边相互作用的强烈偏好在有序的二维纳米晶体中形成非常长的平行一维分子条纹，这一结果也得到了分子动力学模拟的验证。最初引入大环以提高溶解度的六个三苯甲基基团，在大环的自组装中充当关键的“分子Velcro”系统，可以将它们之间的范德华相互作用最大化。（Houska, V., et al. Helicene-Based π-Conjugated Macrocycles: Their […]
使用机器学习势探索金属硫族界面的互扩散
概述 硫族合金是用于下一代非易失性存储单元的选择器和存储元件的关键材料。然而，在工作期间承受的高电场和焦耳加热会促进界面处的相互扩散，器件性能会随着时间的推移降低。在原子尺度上清晰的理解硫族化物合金如何与电极相互作用，有助于搞清楚提高设备长期耐久性的方法。 在这项工作中，作者使用了一组强大的机器学习势（力场）矩张量势（MTPs）来研究 Ge-Se 合金和 Ti 电极之间的相互作用。先前的研究表明，钛和硫族化物合金之间存在强烈的相互作用。这个体系提供了第一个使用机器学习势的测试研究，以理解界面对存储元件和其他纳米级器件耐久性的影响。作者使用主动学习框架，利用 Ti、Ge 和 Se 化合物的第一原理计算的数据集建立了这类体系的MTP势。长时间模拟（>1ns）显示，Ti|Ge−Se 界面处存在明显的相互扩散，Ti和Se都活跃移动，穿过原始界面。Ti和Se的强化学亲和性导致形成明显的 Ti−Se 区域和严重硒耗尽的中心 Ge−Se 区，这种特性不利于选择器。Ti−Se 层的演化可以使用自限生长模型来描述，通过比较不同温度下模拟的有效 Ti-Se 扩散常数，可以发现 Ti-Se 层相互扩散的活化能低至 0.1 eV。 训练 Ti−Ge−Se MTP 训练数据来自分子动力学模拟、几何结构优化和高温主动学习的轨迹。确定了线性拟合超参数，如基集数量、外截止半径和正则化惩罚。对 MTP 的参数进行非线性优化，以提高 MTP 的质量。 MTP 势的测试 每个 MTP 都有两轮测试：初步测试和高级测试。初步测试包括两组：（1）计算训练和测试数据中预测能量（E）和力（f）的方均根误差（RMSE）；（2）所有块体材料的能量-体积响应的质量。高级测试包括两组：（1）确定 MTP 是否能够对 Ge20Se80 结构进行几何结构优化；（2）确定MTP是否能够对 Ti−Ge20Se80 结构进行几何结构优化。 扩散分子动力学 使用 MTP 在 T=500 K 下对 Ti−Ge20Se80 界面的进行 1.5 ns NVT MD […]
QuantumATK U-2022.12 新版发布
MTP 机器学习力场更新 新版本继续发展 MTP 机器学习力场，可以为大体系尺寸、大时间尺度提供从头计算精度。与 DFT相比，MTP 的模拟时间缩短了 1000-10000 倍，训练完善的力场则可以做到没有任何实际的精度损失。这使得能够使用分子动力学生成新型晶体和非晶材料、合金、界面和多层堆叠的真实复杂结构，模拟热和力学性能，以及表面沉积/蚀刻和其他动力学过程。 QuantumATK 提供了一系列预先训练的力场，可以用于块体材料和界面。此外，用户可以使用内置的自动化框架生成训练数据，并为新材料定制 MTP 力场。 核心 MTP 框架更新 使用更灵活的力场参数设计，显著提高了多元素体系的精度新增主动学习的外推分级算法 Query-by-CommitteeMTP 训练流程现在在图形界面上新的 Workflow Builder 中可快速轻松地进行设置Nanolab 内置 MTP 分析工具，用于绘制和分析 MTP 数据与参考 DFT 能量、力和应力之间的相关性训练方案更新（生成合金材料的训练数据、界面训练方案的改进）MTP训练功能的改进（自动扫描非线性系数、能量权重、力和应力数据的初始猜测，指定目标样本和结构大小）CrystalPropertyValidation 分析工具，自动计算、比较和绘制 MTP 和 DFT 或任何其他计算工具组合之间的各种材料特性（例如，晶格常数、弹性常数、声子、状态方程）。 预先训练的力场 新增预先训练力场（如MgO、FeCo、W、Ta 和 FeCo 合金等的界面、钴硅化合物与界面、InGaZnO、GeSbTe重新训练的 HKMG 堆叠和界面的MTP力场，添加 Ru、Sc 和他们与 HfO2 的界面重新训练的 TiNAlO 力场，提高了精度 图形界面的多层堆叠生成工具 新 MTJ 建模工具，用于构建 MRAM 应用的多层堆叠结构HKMG 堆叠建模工具改进，改进了晶体界面适配和优化的算法，添加栅极（Sc和Ru）以及氧化物结构HKMG 和 […]
用于忆阻器器件的TaOx薄膜中的细丝形成：模拟电子能量损失谱和电子输运
简介 电阻式随机存取存储器（ReRAM）是由金属氧化物结构堆叠在两个相同或不同的顶部和底部电极之间构成。在导电细丝形成电阻的开关机制中，体系在高电阻状态（HRS）和低电阻状态（LRS）之间切换，这取决于离子在金属氧化物上的迁移。导电细丝的断裂会导致HRS，其重新形成会导致LRS。忆阻器件在提高操作速度、更高密度、无波动性、易于集成和低功耗方面具有优势。根据氧空位起重要作用的氧化物层和电极，潜在的机制有所不同。在价态变化存储单元中，电阻开关的原因是基于氧空位（VO）的导电细丝的形成和断裂，相关的具体细节仍然是一个争论的话题。 研究内容 本项研究选择的亚化学计量比的氧化钽（TaOx）因其耐久性、操作速度、以及三重开关机制提供的多个电阻水平，是ReRAM应用的一个有前途的候选材料。TaOx基ReRAM器件的高耐久性是由于稳定的非晶相及其氧空位的自适应晶格重排。最近基于同步加速器的X射线光电子发射电子显微镜证实，TaOx忆阻器件中没有金属Ta细丝的迹象。此外，添加界面层据说可以提供氧缺陷库，并提高电阻开关器件的可靠性。 理论上早已使用第一原理计算研究对诸如Ta2O5、TiO2、HfO2、和NiO等体系进行了研究，不过以假设体系是晶体结构为主。这项研究讨论了原子水平上非晶TaOx中细丝形成的几个问题。为了验证所采用的模型体系，作者从理论上对材料的电子能量损失谱（EELS）进行了表征，并与实验EELS测量结果进行了比较。此外，作者解释了计算和实验观察到的亚化学计量比增加时的蓝移。作者通过电子输运计算研究了亚化学计量非晶结构的细丝形成，通过输运路径的形成详细解释了本征电子输运的结果，其中亚化学计量的TaOx证明了在低偏压下产生氧空位丝。通过建立合适的界面模型体系，研究了与钽（Ta）清除层或直接与氮化钛（TiN）电极的界面效应，包括TaOx/Ta和TaOx/TiN界面处传导机制的详细分析。 无定形TaOx中的透射导丝形成、电子输运路径 四种界面处a) cTa48O120/Ta[100], b) cTa48O120/TiN[100], c) aTa48O120/Ta[100], and d) aTa48O120/TiN[100]的能带排列 参考 Jiang J, Pachter R, Mahalingam K, et al. Filament Formation in TaOx Thin Films for Memristor Device Application: Modeling Electron Energy Loss Spectra and Electron Transport. Advanced Electronic Materials. 2022, 2200828; doi:10.1002/aelm.202200828
新冠病毒原始株、德尔塔和奥密克戎变异株刺突与人ACE2受体的结合能【QuantumATK应用】
摘要 新冠病毒 SARS-CoV-2 的受体结合区域（RBD）与人 ACE2 受体结合导致感染。在这项研究中，通过密度泛函理论（DFT）模拟研究了原始毒株、德尔塔和奥密克戎变异株的 SARS-CoV-2 刺突 RBD 与人 ACE2 受体连接形成的复合物，获得了二者之间的结合能。原始毒株、德尔塔和奥密克戎变异株的 SARS-CoV-2 刺突 RBD 与人 ACE2 受体的结合能计算值分别为 −4.76、−6.68 和 −11.77 eV。这些结合能值表明，奥密克戎变异株与 ACE2 的结合比原始毒株和德尔塔变异株的结合有利得多，这可能从分子水平上解释了奥密克戎变异株能取代原始毒株和德尔塔变异株成为流行毒株的原因。本研究中发现的结合能和这些能量的分解有望有助于中和药物的开发。 模型 作者从公开的蛋白质数据库中获得了三种毒株的刺突与受体的冷冻电镜结构数据，并在刺突蛋白与受体接触面附近 15 埃范围内选择了合适的分子大小作为计算模型。结合体的原子数在 3000 以上。 图：三种毒株的刺突受体结合域与人ACE2受体的结合界面结构。（a）原始毒株（b）德尔塔变异株；（c）奥密克戎变异株。 表：区域选择后的模型原子数。 计算与结果 作者对结构进行了基本的优化后，计算了体系能量，计算能量时考虑了基组重叠误差（BSSE）和范德华力泛函校正。计算结果表面，奥密克戎毒株的刺突蛋白具有最大的受体结合能，这与实际观察到的传播能力的表现一致。 参考 Yamacli, S., Avci, M., Computation of the Binding Energies between Human ACE2 and Spike RBDs of the Original Strain, Delta and Omicron Variants […]
基于单层氧化镓的高性能低功率 MOSFET 的性能研究
摘要 研究者在密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）理论的框架下，模拟了单层（ML） $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$的电子性质和 ML- $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ 基 n 型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的输运性质。结果表明，ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ 具有 4.92eV 的准直接带隙。在充分考虑声子散射的情况下，计算得到 x 和 y 方向的电子迁移率分别为 1210 和 816 $\mathrm{cm}^2 \mathrm{V}^{-1} \mathrm{s}^{-1}$（300K） 。电子—声子散射机制表现出温度依赖性行为，声学模在 300K 以下占主导地位，光学模在 300K 以上占主导地位。在$\mathrm{L}_g$= 5 nm 的栅极长度下，用于高性能（HP）应用的 ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ n-MOSFET 的导通电流为 2890 μA/μm，高于已有报道的二维材料的导通电流。ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ MOSFET 的延迟时间和功率延迟积可以满足最新的国际半导体技术路线图（ITRS）对HP和低功率（LP）应用的要求，$\mathrm{L}_g$ 可以小于 4 或 5 nm。通过优化 Underlap 结构和掺杂策略，ML $\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3$ n-MOSFET 可以进一步满足 1 nm 的 ITRS 要求。最后，将基于 ML […]
对 X3P2(X=Mg，Ca) 的电子、结构、力学和光学性质的从头算分析
摘要 本文介绍了用第一性原理计算模拟方法研究了$\mathrm{X}_3 \mathrm{P}_2$（$\mathrm{X}=\mathrm{Mg，Ca}$）的结构、力学和光电性能的工作。结构和力学性能的结果表明，$\mathrm{X}_3 \mathrm{P}_2$ 化合物具有热力学和力学稳定性。此外，弹性常数和体积模量结果表明，$\mathrm{Mg}_3 \mathrm{P}_2$具有韧性，$\mathrm{Ca}_3 \mathrm{P}_2$为脆性。对能带的计算结果表明，两个化合物（$\mathrm{Mg}_3 \mathrm{P}_2$ 和 $\mathrm{Ca}_3 \mathrm{P}_2$）的直接带隙（$\Gamma – \Gamma$）分别为 0.523 eV 和 0.446 eV（GGA 泛函）。然而，在使用 HSE06 杂化泛函时，$\mathrm{Mg}_3 \mathrm{P}_2$ 的带隙提高到1.282 eV，$\mathrm{Ca}_3 \mathrm{P}_2$ 则提高到 1.092 eV。这两种化合物在可见光区域都表现出高光学吸收($\geq 10^5 \mathrm{cm}^{−1}$） 使其成为光伏应用的潜在候选材料。 结构和力学性质 两种材料的结构如下图： 结构经过优化后，对它们计算形成能（焓），即与稳定单质相比的能量：$$\Delta H (X_3 P_2) = E_{total} – 3E_{total}(X) – 2E_{total}(P)$$ 结果表明两个化合物都具有热力学稳定性。 为了进一步验证结构的稳定性，作者进行了分子动力学模拟，证实了在分子动力学水平上在室温下结构的动态稳定性。 作者还计算了体系的弹性系数矩阵，进行了Born-Huang晶格力学稳定性分析。由弹性系数矩阵可以得到体系的体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、Pugh ratio等多种力学性质，并据此可以评估材料的延展性和脆性。 电子态和光学性质 使用PBE密度泛函和HSE06杂化泛函计算了体系的能带、态密度与投影： 使用HSE06对两种材料的光谱进行了计算： 参考 Bougherara, K., Al-Qaisi, S., Laref, […]
氢键构型对电子传输机制的作用【QuantumATK亮点文章】
研究内容 分子结中涉及氢键的电荷传输机制很复杂，目前尚不清楚。本研究的重点是阐明分子器件中的电子输运，该分子器件由两个掺硼金刚石界面与芳香连接分子结构和氢键替代分子结合而成。作者构造多个具有不同氢键构型的分子，连接在掺杂的金刚石电极（BDD）中间形成分子结，并逐一计算了各个结构的稳定构型、吸附能量、IV 曲线和 PLDOS 等。 图：构造的具有不同构型的模型分子结 结果 模拟得到的透射谱、电流和投影局部态密度（PLDOS）结合分析结果表明，这些结中的电子传输机制在很大程度上取决于连接和替代分子之间氢键的构型以及连接分子的化学性质。特别是，当氢键由 CTH 的对位羟基形成时，电子跳跃机制出现；间位羟基形成的键则不会诱导跳跃机制。如果没有氢键存在，则主要机制是隧穿。氢键几何形状的微小变化导致传输模式的能级和位置的对齐发生重大变化，并观察到电子传输机制从隧穿转变为跳跃，导致 I−V 曲线的形状和电流大小的变化。芳香连接分子中给电子羟基形成的氢键有助于电子输运，而吸电子羧基则抑制电子通过结的输运。作者将这种现象归因于环内部连接轨道电子密度的局部化，从而增加了隧穿长度。此外，由于连接和替代分子之间的不对称性，观察到一种整流效应。这些结果为分子结电子特性的调控提供了重要信息。 图：BDD−CTH−surrogate−BDD分子结的PLDOS和透射谱 图：BDD−ABA−surrogate−BDD 分子结的 PLDOS 和透射谱 图：BDD−CTH−surrogate−BDD、BDD−ABA−surrogate−BDD 分子结的IV曲线 参考 Olejnik, A.; Dec, B.; Goddard, W. A.; Bogdanowicz, R. Hopping or Tunneling? Tailoring the Electron Transport Mechanisms through Hydrogen Bonding Geometry in the Boron-Doped Diamond Molecular Junctions. J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13 (34), 7972–7979. […]