背景简介 挠曲电效应描述的是在应变梯度作用下产生电极化或在极化梯度作用下产生机械变形应力的现象。挠曲电效应普遍存在于所有介电材料中，且随着材料尺寸的降低挠曲电效应越明显。挠曲能给二维材料带来意想不到的新性质以及调控器件性能，在可穿戴电子设备、裂纹监测、结构健康监测等领域具有极高的应用价值。施加非均匀应力使材料弯曲，材料顶底面会产生方向相反的应变场。对于具有面外极化的二维铁电材料，由于顶底两个表面的电荷分布情况不同，其电子态密度也会存在差异。因此，对于二维铁电材料，铁电自发极化和挠曲电极化耦合下可能会出现更加有趣的性质。然而，应变梯度导致的挠曲电场与铁电极化场耦合机制尚不明朗。挠曲电效应调控器件性能的详细物理机理也不清楚。这严重阻碍了柔性器件的蓬勃发展。 研究内容 此项研究通过第一性原理计算和非平衡格林函数研究了弯曲 α-In2Se3 单层的电子结构和输运性质。发现在 P↑ 和 P↓ 弯曲的 α-In2Se3 中可以获得两种不同的 II 型能带结构，它们呈现出相反的能带弯曲。P↑ 和 P↓ 弯曲的 α-In2Se3 中心的载流子主要分别是空穴和电子，它们主导着 α-In2Se3 p-i-n (PIN) 场效应晶体管的电流行为。该研究通过弯曲 α-In2Se3 实现了同质异质结的构筑，从而简化了器件的加工过程，并可用作机电传感器。 图1。VBM为洋红色，CBM为青色。α-In2Se3在实空间中的CBM和VBM分布：(a) P↑，(b) P↓，(c) P↑弯曲，(d) P↓弯曲。(e) 与(f) 分别为P↑和P↓的α-In2Se3在挠曲程度ε = 0.13对应的空间分段密度态；其中青色实线与洋红色实线分别标示了CBM与VBM的位置。(g) 与(h) 展示了P↑和P↓ α-In2Se3分别在未挠曲以及挠曲程度ε = 0.13时对应的空间分段CBM与VBM位置。 图2。(a) 器件示意图，其中LE为左电极，RE为右电极；(b) P↑和(c) P↓在挠曲程度ε = 0、ε = 0.09 和 ε = 0.13 时的I-V特性曲线；(d) 器件中涉及的电子结构和传输态的示意图；(e) 和(f) 分别为P↑和P↓ α-In₂Se₃在不同弯曲程度下的整流比。 图3。源漏电压Vds分别为−0.6 V、0 V和0.6 V时，不弯曲、P↑弯曲和P↓弯曲的PIN – FET的局域投影态密度(PLDOS)。红色箭头表示隧穿距离。 总结 该工作通过第一性原理计算，发现挠曲电效应能够诱导材料产生新奇的物理性质以及进一步提升器件性能，并解释了挠曲电效应作用的物理机理。单层α-In2Se3挠曲导致了材料在实空间中CBM和VBM的分离，构成了Ⅱ型能带对齐的同质异质结，即通过简单的机械弯曲实现了电子-空穴对的空间分离。挠曲电场和面外偶极子耦合导致能带发生弯曲，挠曲器件相比不挠曲器件，正向电流增大，在偏压为0.8 V时，挠曲器件的电流被放大了27倍。挠曲对器件表现出“应变栅”调控行为。挠曲后的器件整流比大幅提高，相比不挠曲的器件增加了两个数量级，高达107。研究表明，挠曲电效应有助于提升器件性能。该工作为器件性能改善和柔性器件的设计提供了创新性的策略，揭示了多物理场耦合机制，有助于挠曲电相关技术的发展。 […]
电控调谐扭转双层石墨烯的二次谐波极化率
背景简介 扭转双层石墨烯（tBLG）在“魔角”附近出现非常规超导、强关联绝缘态、量子反常霍尔效应等物理现象成为当下研究热点。双层石墨烯层间小角度扭转时，能带发生杂化，形成了具有超高态密度的莫尔平坦带。同时，扭转破坏了原有双层石墨烯的中心对称性，出现了只能在具有反演对称性破缺的材料中发生的偶数阶非线性光学效应，例如二次谐波产生效应（SHG）。美国加州大学伯克利分校 Yang Fuyi 课题组用两种不同波长的激光测量了不同扭转角 tBLG 的二次谐波极化率（SHG），发现当转角 q=6° 时，其 SHG 的非线性光学极化率可以达到 2.8×105 pm2/V，其数值已经可以和单层 MoS2 等具有很强非线性光学的材料相比拟。 研究内容 近日，冯小波教授课题组研究了扭转角度和外加电场对 tBLG 二次谐波产生效应的调控研究。基于四带连续模型以及独立粒子近似，建立了扭转双层石墨烯中 SHG 的微观理论，模拟了不同入射光子能量下的SHG光谱，并用 QuantumATK 软件中的二阶非线性光学极化率计算模块进行了验证。在此基础上，将研究拓展到电场调制 tBLG 中 SHG 效应，发现施加外部电场可以使 SHG 极化率至少提高一个数量级。通过扭转角和外部电场的共同作用，实现了 SHG 效应从近红外到可见光波段的有效调控。 图1。（a）tBLG 摩尔超晶格示意图（b）tBLG 布里渊区 图2。tBLG 中 (a) 单光子（EVHs=ħω）共振、(b) 双光子（EVHs=2ħω）共振以及 (c) 非共振情况下的二次谐波产生（SHG）示意图。黑色实线代表实能态，虚线代表虚能态 。 图3。扭转角 θ = 9.43°tBLG 的 SHG 光谱，分别根据 (a) 独立粒子近似和 (b) QuantumATK软件中的 DFT 方法计算得出 。 图4。在不同外加电场下具有不同扭转角 tBLG 的 […]
QuantumATK在大分子/聚合物研究中的应用（一）
含二价金属离子的8-羟基喹啉聚合物的光电性质 本研究利用计算化学方法，探讨了含8-羟基喹啉配体的金属聚合物在有机发光二极管（OLED）等光电器件中的应用潜力。研究采用密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）技术分析了这些聚合物的光电性质和电子传输特性。首先，通过量子化学参数如重组能、离子势和电子亲和能，预测了聚合物的光电行为，结果显示VQ2和FeQ2是优异的电子和空穴传输材料，而PdQ2和VQ2则为最佳的电子和空穴阻挡分子。其次，通过I-V特性和传输谱分析，发现ScQ2、TiQ2、VQ2、CrQ2和MnQ2在0-2V电压范围内具有良好的电导率，尤其是CoQ2在2V时表现出最高的电导率。相比之下，NiQ2、CuQ2、PdQ2和PtQ2的电导率较低，PdQ2最差。研究结果为下一代光电和电子器件材料的设计提供了理论依据，尤其在OLED和纳米电子器件的应用中具有重要的指导意义。(Materials Chemistry and Physics, 2022, 281: 125899. DOI:10.1016/j.matchemphys.2022.125899) 一种用于检测和筛查新冠病毒的即时护理场效应晶体管生物传感器的设计 该文献讨论了一种基于场效应晶体管（FET）的生物传感器，用于检测COVID-19抗原。传感器在目标分子（COVID-19抗原）吸附后立即发生特定的电流变化，表明其对COVID-19抗原的高灵敏度。在实验中，传感器的电子特性（如电流）因COVID-19抗原的加入而发生显著变化，证明了传感器的准确性。然而，加入狂犬病病毒（Rabies）和中东呼吸综合征病毒（MERS）并未改变传感器的电子特性，表明该传感器对COVID-19具有高度的选择性。本研究为今后的实际制造提供了良好的指导。(Scientific reports, 2023, 13(1): 4485. DOI:110.1038/s41598-023-31679-5) SARS-CoV-2原始毒株、δ型和奥密克戎变种的刺突蛋白受体结合域与人类ACE2结合能的计算：一种密度泛函理论模拟方法 该研究文章采用密度泛函理论 (DFT) 模拟方法，计算了SARS-CoV-2原始毒株、δ型和奥密克戎变种的刺突蛋白受体结合域 (RBD) 与人类ACE2受体结合的能量。通过不分解界面以包含长距离相互作用，从而提高计算精度。研究发现，原始毒株、δ型和奥密克戎变种与人类ACE2受体的结合能量分别为-4.76 eV、-6.68 eV和-11.77 eV。这表明奥密克戎变种与ACE2的结合更有利，解释了奥密克戎变种在流行病学上的优势。本研究结果为开发中和剂提供了分子基础。研究还通过能量分解方法，利用QuantumATK详细计算了各变种的结合能成分。这些发现对于理解变种病毒的感染机制和设计有效的治疗方法具有重要意义。（Advanced Theory and Simulations, 2022, 5(12): 2200337. DOI: 10.1002/adts.202200337） 基于硅纳米线场效应晶体管的生物传感器在COVID-19病毒快速检测中的应用 本文采用半经验方法设计了一种新型硅纳米线生物传感器，并研究了其电子输运特性以检测COVID-19刺突蛋白。通过结合非平衡格林函数的半经验模型研究了各种电子输运特性，如透射谱、电导和电流。此外，通过研究流感病毒、轮状病毒和艾滋病毒等其他病毒的电子传递特性，验证了所开发的传感器的选择性。结果表明，该硅纳米线生物传感器可用于新型冠状病毒的准确鉴定，具有较高的灵敏度和选择性。（Nanomaterials, 2022, 12(15): 2638. DOI:10.3390/nano12152638） 基于密度泛函理论计算的SARS-CoV-2受体结合域刺突蛋白与人类ACE2复合物的结合自由能研究 这篇研究通过密度泛函理论（DFT）计算了不同突变体的SARS-CoV-2刺突蛋白受体结合域（RBD）与人类ACE2受体的结合自由能，以探究变异株在分子层面上对病毒传染性的影响。研究的重点是计算RBD和ACE2复合物的结合自由能，并且在计算过程中考虑了长程量子力学相互作用，确保了结果的高精度。研究显示，B.1.1.7变异株（含有A570D和N501Y突变）的结合自由能是原始毒株的五倍以上，表明该变异株可能具有更强的传染性。总的来说，这项研究不仅揭示了不同SARS-CoV-2变异株与ACE2的结合差异，而且通过精确的量子计算，深化了我们对病毒变异株传染性的理解，为新型疫苗和药物的开发提供了宝贵的理论依据。（Heliyon, 2022, 8(8). DOI:10.1016/j.heliyon.2022.e10128）
功能化MoS2纳米带在本征冷源晶体管中的应用
背景简介 随着电子设备对功耗和性能的要求日益提高，传统的场效应晶体管（FETs）在不断缩小尺寸和提高工作频率的过程中，面临着显著的功耗增加和亚阈值摆幅（SS）限制问题。为了实现更低功耗、更高性能的器件，研究者们开始探索新型材料和结构的设计。二维材料，特别是过渡金属硫化物（TMDs）如MoS2，因其独特的电子性能和可调节的带隙，成为了下一代FET通道材料的重要候选。 然而，尽管二维材料在FET中展现出潜力，它们仍然受到热效应的限制，导致传统FETs在亚阈值区的开关特性不理想，SS无法突破60 mV/decade的热限制。为了解决这一问题，研究者提出了包括隧道FETs（T-FETs）、负电容FETs（NC-FETs）和冷源FETs（CS-FETs）在内的多种新型器件，这些器件通过不同的机制改善了开关特性，从而降低功耗。 本研究通过第一性原理计算，详细探讨了功能化MoS2纳米带在本征冷源场效应晶体管（CS-FETs）中的应用。通过修饰MoS2纳米带表面官能团，研究了不同修饰对FET性能的影响，并发现随着纳米带宽度的增加，SS能够突破热限制，表现出极小的值。该研究为在低功耗、高效能FET设计中应用二维纳米带材料提供了有力的理论支持，推动了下一代电子器件的发展。 研究内容 本研究通过第一性原理计算，探讨了功能化MoS2纳米带在本征冷源场效应晶体管（CS-FETs）中的应用，重点在于设计具有陡峭斜率开关特性的场效应晶体管，以降低功耗并提高性能。研究表明，通过模拟不同官能团修饰MoS2扶手椅型纳米带(MoS2NR)的电子特性，分析了这些修饰如何影响FET的性能，特别是对SS的改善。研究结果表明，-F和-O-H修饰的MoS2纳米带FET性能比-H要优异，对于沟道长度为5nm的12-MoS2NR-F，其亚阈值摆幅为28 mV/decade，开/关比高达4×10 5。此外，还研究了带宽、沟道长度、偏置电压、边缘粗糙度和缺陷对MoS2NR−F场效应管性能的影响。本研究的成果为二维材料在低功耗、高效能的场效应晶体管设计中提供了宝贵的理论支持，对未来电子器件的发展具有重要意义。 该工作以“Functionalized MoS2 nanoribbons for intrinsic cold-source transistors: A computational study” 发表在ACS Applied Nano Materials。 图1. (a)−H端接、(b)−F端接Na=12的扶手椅型MoS2NR（12-MoS2NR−H）的俯视图和侧视图。(d)、(e)、(f)为对应的能带结构和DOS。 图2. (a)双栅12-MoS2NRs场效应管原理图。(b) 0.05 V偏置电压下12-MoS2NRs的转移特性。(c) SS和(d)开/关比（I ON/ I OFF）。 图3. (a) VG = 0.95 V和(b) VG = 1.0 V时12-MoS2NR−H场效应管的PLDOS和光电流。 图4. (a)不同带宽和(d)沟道长度的MoS2NR−F场效应管的转移特性。（b, e）和（c, f）分别为SS和I ON /I OFF的结果。 总结 该文献主要探讨了功能化MoS2纳米带在冷源场效应晶体管（CS-FETs）中的应用，通过第一性原理计算研究了不同修饰官能团对MoS2纳米带电子特性的影响。研究的核心目标是设计具有陡峭斜率开关特性的场效应晶体管（FETs），以降低功耗，并重点关注亚阈值摆幅（SS）这一关键参数。通过对MoS2纳米带进行表面官能团修饰，研究揭示了修饰对纳米带电子特性的影响，并发现合适的修饰能够显著改善FET性能，特别是在SS方面能够突破热限制，表现出极小的值。此外，研究还探讨了纳米带宽度、通道长度、漏源偏压、表面粗糙度以及缺陷等因素对FET性能的影响。结果表明，随着纳米带宽度的增加，SS能够突破热限制，表现出优异的低功耗开关特性。 参考 Functionalized MoS2 nanoribbons for intrinsic cold-source […]
磁性和自旋电子学案例集（六）
具有高隧穿磁阻比的Co2FeAl Heusler合金和WSe2 2D材料磁隧道结 本文提出了一种基于 Co2FeAl Heusler 合金和二维材料 WSe2 的磁隧道结（MTJ），通过采用密度泛函理论（DFT）模拟和非平衡格林函数（NEGF）传输模型，评估了 Co2FeAl/WSe2/Co2FeAl MTJ 的导电性能。研究表明，Co2FeAl 合金作为磁性电极，结合具有优良电学性质的 WSe2 作为隧道屏障，可以显著提高隧穿磁阻（TMR），使得该结构在自旋电子学和下一代信息存储设备中具有广阔的应用前景。(Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2024, 606: 172365. DOI:10.1016/j.jmmm.2024.172365) 过渡金属原子掺杂氢化硅量子点的自旋滤波与量子输运 自旋滤波是自旋电子学中的一项基本操作，它使自旋极化载流子的产生和检测成为可能。本研究提出并从理论上证明了三维过渡金属（TM）掺杂氢化硅量子点（TM:H-SiQD）是自旋滤波器器件的合适候选材料。利用密度泛函理论研究了 TM: H-SiQD 的结构、电子性质和磁性行为，计算表明 Mn:H-SiQD 具有最高的稳定性。所设计的 Mn:H-SiQD 自旋滤波装置在 300 K 电极温度下具有 99.9% 的自旋滤波效率和很高的导电性。这种显著的效率使其成为自旋电子器件的有前途的候选者。(Applied Physics Letters 2024, 125(12) DOI:10.1063/5.0231931) 通过与CrI3分子的耦合调节锯齿形磷烯纳米带的电子输运性质 基于密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）方法，考虑了三种不同的吸附模型，研究了与三碘化铬（CrI3）分子耦合的锯齿形磷烯纳米带（ZPNRs）的自旋相关电子输运性质。发现由于 ZPNR 和 CrI3 分子之间的耦合，ZPNR 的电子输运表现出自旋极化特性。此外，负差分电阻（NDR）特性可以从电流-电压曲线中观察到，并通过吸附分子进行调制。还发现，垂直吸附在 ZPNRs 表面的 CrI3 比其他两种情况具有更高的自旋极化效率。（Physics Letters A, […]
界面化学助力突破二维半导体接触电阻瓶颈
概述 随着摩尔定律逐渐逼近物理极限，二维半导体材料因其原子级厚度和优异的电学性能，成为下一代电子器件的热门候选材料。然而，二维半导体器件的性能提升面临一个重大挑战：金属与半导体之间的接触电阻问题。传统的金属-半导体接触方式通常会导致金属诱导间隙态（metal-induced gap states, MIGS）和缺陷诱导间隙态（defect-induced gap states, DIGS），形成肖特基势垒，导致接触电阻高，严重限制了器件性能的提升。尽管范德华 (van der Waals, vdW) 接触可以避免金属诱导间隙态，但由于其较弱的相互作用，难以实现低接触电阻和高电流密度。为了克服上述挑战，本研究基于此前构建的氢键接触理论模型（Mater. Horiz., 2023, 10, 5621-5632），通过在三维金属与二维半导体之间引入纳米限域极化水分子来增强界面作用，并利用界面化学调控接触性质。 图1. 金属/单层 MoS2 范德华异质结在有无水插层时的接触对比图 图2.金属/水/MoS2 固液范德华异质结中的界面偶极和费米能级钉扎效应 研究内容 界面偶极子效应：本研究通过第一性原理计算发现，金属表面纳米限域水分子的极化方向与金属功函数密切相关。不同功函数的金属（Sc、Al、Cu、Pd、Pt）与水分子接触时，水分子的极化方向不同，但所有金属的有效功函数均降低。 费米能级钉扎效应：极化水分子的引入导致显著的界面偶极子效应，显著改变了金属与半导体之间的接触电势差，导致强烈的费米能级钉扎效应。与传统的 MIGS 和 DIGS 引起的费米能级钉扎不同，这种效应主要源于界面偶极子对接触电势差的屏蔽作用。 图3. 具有共价接触、范德华接触和水插层接触的Al/MoS2异质结的电子结构对比 图4. 有无水插层的Al/MoS2 vdW 异质结中的界面相互作用和传输特性 化学反应及动力学：利用 climbing image nudged elastic band（CI-NEB）方法研究了固液 vdW 异质结的化学反应动力学和热力学稳定性，量化了异质结处于不同温度下的接触性能。 图5. 水分子在铝（111）表面解离吸附的动力学过程及反应产物的电子特性 n型欧姆接触：对于铝（Al）与单层二硫化钼（MoS2）之间的接触，极化水分子的存在导致显著的界面电荷转移和氢键增强的共振隧穿效应，使得接触电阻大幅降低，从而实现 n 型欧姆接触。 亚5纳米接触长度：由于接触电阻的显著降低，铝/水分子/MoS2 接触的接触长度可以缩小到亚5纳米级别。具体来说，Al-OH/MoS2 触点有望在 1.7 nm 和 5 nm 接触长度时分别实现低至 107 Ω μm 和 66 Ω μm 的接近理想的接触电阻，这对于未来器件的小型化具有重要意义。 图6. 二维半导体接触电阻的基准测试 总结 在这项研究中，我们强调了固液范德华异质结的界面化学变化作用，特别是在调节二维材料的电子特性方面。之前的研究表明，范德华接触可以避免金属诱导的间隙态，而本研究则证明，由纳米限域极化水分子产生的界面偶极子可以显著影响二维材料的固有接触电势差，从而导致费米能级钉扎效应。研究结果表明，冰状水双分子层的极化取向与接触金属的功函数之间存在很强的相关性，从而导致电子行为的明显变化。此外，固液界面中涉及的物理化学相互作用为在二维晶体管中实现工程欧姆接触和有效电荷转移掺杂提供了启示。铝与纳米限域水的相互作用促进了其与 MoS2 的牢固氢键结合，从而实现了亚 5 […]
具有高居里温度和优异自旋过滤效果的单层$\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$ 磁性隧道结
背景简介 自旋电子学是一种利用电子自旋及其相关特性的技术，旨在提高电子器件的性能和功能。传统的自旋电子器件使用铁磁材料作为自旋注入源，但这些材料通常具有相对较低的居里温度，限制了它们在高温环境下的应用。$\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$作为一种宽带隙半导体材料，近年来受到广泛关注，因其优良的电学和光学特性以及在高温条件下的稳定性。在磁隧道结中，电子的自旋极化能够显著提升器件的效率和性能。完美自旋过滤效应要求能够有效选择性地传输特定自旋方向的电子，这对于自旋阀和自旋转移扭矩等应用至关重要。研究人员尝试通过引入缺陷，以实现$\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$高居里温度和优异的自旋过滤性能，为未来自旋电子器件的发展提供新的材料平台。因此，该研究不仅为$\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$ 在自旋电子学中的应用提供了新的见解，也为开发高性能自旋器件开辟了新方向，具有重要的理论和应用价值。 研究内容 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单层$\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$ 在Ga空位和O空位存在下的电子结构和磁性. 结果表明, $\mathrm{V}_{\mathrm{Ga}}$ 的引入会导致单层二维 $\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$ 中的非零磁矩, 而$\mathrm{V}_{\mathrm{O}}$ 不会。我们发现两种不同对称位置的Ga空位都能导致自旋极化基态。值得注意的是, 当$\mathrm{V}_{\mathrm{Ga}}$ 比大于1/16 (每16个Ga原子1个Ga空位)时, 单层2D $\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$ 表现出半金属性质, 并且其在费米能级处的自旋极化达到100%. 同时, 对这两种不同Ga空位体系的计算也表明了潜在的高居里温度(355.8 K)下的长程铁磁有序。最后利用具有高$\mathrm{V}_{\mathrm{GaI}}$ 比的单层 2D $\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$ 作为铁磁层, 可以获得在费米能级处具有超高自旋过滤效应的磁性隧道结。 Ga空位$\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$/MgO/Ga 空位 $\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$ MTJ 具有优异的自旋滤波效果(自旋极化100%)和巨大的TMR比（高达$1.12\times10^{3}%$）。本文的结果表明, 基于具有室温铁磁性的二 维 $\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$ 的 MTJ 表现出可靠的性能, 显示了在自旋电子学中应用潜在的可能性。 图1。单层二维 $\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$ (a) GaI空位 (b) GaII空位和 (c) OI空位 (d) OII 空位的结构和电子性质。 图2。(a)基于Ga缺陷$\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$/MgO/Ga缺陷$\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$ 磁性隧道结侧视图和俯视图。(b) 零偏压下磁性隧道结的自旋 (b) 平行和自旋反平行透射谱。(d) 磁性隧道结最大输运点的本征态（Ka =−0.38,Kb = 0）。 图3。Ga缺陷$\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$/MgO/Ga缺陷$\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$ MTJ：(a) PC和APC构型下I-V曲线。(b) TMR和SIE与偏置电压（Vb）的函数关系。 总结 作者利用密度泛函理论本文研究了原子空位对二维单层$\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$ 的电子和磁性能的影响，采用 Ga -空位单层二维$\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$（含Ga空位比为1/8）作为铁磁层构建了一个磁性隧道结，隧道结在费米能级处表现出非常高的自旋过滤效应和一个巨大的TMR（~ $1.12\times10^{3}%$），且可以实现近 100% 的自旋注入效率。综上所述，具有 Ga 空位缺陷的单层二维 $\mathrm{Ga}_{2}\mathrm{O}_{3}$ 自旋电子学具有广阔的应用前景。 参考 High Curie temperature […]
费米科技QuantumATK技术支持增强计划
为了更好地服务用户，帮助用户从入门到进阶使用费米科技的产品，费米科技已经启动了一项增强支持计划。针对QuantumATK材料与器件模拟平台主要包括以下四个部分内容： 文字教程更新：为 QuantumATK 的核心功能提供中文教程，并保持与最新版本的同步，持续更新。 欢迎大家关注费米维基页面，已更新的部分教程内容详见【链接】。 新用户培训课程：每年我们会举办零基础培训课程，提供核心功能上手教程，帮助研究组内的新同学快速掌握使用方法，进入研究课题。 在软件维护期的活跃用户组内成员可以获得免费名额。 过往活动：2024年的基础培训课程刚刚成功举办【链接】。 高级用户课程：我们还计划按年举办高级用法workshop和交流活动，重点介绍脚本编程技巧以及具体领域的应用研究专题。 过往活动：2023年的第一原理量子输运讲座【链接】。 技术支持渠道：费米科技将继续通过官方钉钉用户群和邮件答疑渠道提供技术咨询，并在新的一年尝试更多的技术支持方式。 【详细链接】。 加入我们！同时也欢迎各位有使用经验的老师、同学业余时间参与我们的计划或成为正式的技术支持，费米科技为您提供相应的报酬。您可以： 撰写短文或合集介绍自己的工作或相关领域的他人工作； 帮助我们翻译、制作和更新教程； 提供专题讲座和短期课程； 为新用户提供技术支持和答疑。 有意向的老师和同学可以联系邮箱：qatk@fermitech.com.cn。
单元素二维铁电BP-Bi光电探测器的第一性原理研究
研究背景 光电能量转换是凝聚态物理学中一个至关重要的研究领域。由于电磁场中电场的交替性质，仅依赖线性效应无法在单一材料中产生直流电。为通过光激发在单一材料中诱导直流电，必须考虑非线性效应或高阶相互作用。例如，体光伏效应（PGE）是一种二阶扰动的非线性光电效应，能够在缺乏空间反演对称性的内在材料中诱导直流电流。PGE 探测器不但能够吸收能量低于半导体带隙的光子并产生远高于半导体带隙的开路电压，且光电流探测器不需要构建异质结，减少了生产成本和工艺复杂性。基于PGE制成的光电探测器被认为是下一代纳米光电设备的有前途的候选者。 铁电材料因其缺乏空间反演对称性和铁电可调性而成为先进光电流探测器的理想候选者。最近在二维范德瓦尔斯铁电类黑磷铋（BP-Bi）中实验性观察到了单元素铁电态，其铁电性的起源是由于 Bi 原子的非对称构型，这种构型是由晶格固有的非对称折叠引起的。与大多数具有大带隙的内在铁电材料相比，显示出其独特的性质。这些新颖和独特的特性使得BP-Bi成为极具研究价值的铁电材料。 研究内容 近日，湖北民族大学李强副教授、北京大学吕劲教授及方世博博士等，基于单元素二维铁电材料 BP-Bi 设计了一种光电探测器，利用 QuantumATK 进行了第一性原理计算。该材料的光电探测的光电流具有明显的各向异性（Armchair 方向的最大光电流能达 133 mA/W，而 Zigzag 方向的最大光电流仅为 4.7 mA/W）。 图1 （a）单层 BP-Bi 沿 armchair 方向的原子结构 （b）单层 BP-Bi 光电探测器沿 armchair 和 zigzag 方向光电响应随能量变化曲线 （c）单层 BP-Bi 光电探测器与其他单层材料的 p-n 结的最大光电响应对比图 结论 本研究展示了基于单元素二维铁电材料 BP-Bi 的光电探测器的设计与性能评估，强调了其在光电能量转换领域的重要性。通过第一性原理计算，我们发现 BP-Bi 的光电流效应具有显著的各向异性，尤其在Armchair 方向展现出高达 133 mA/W 的光电流，这表明其在光电探测应用中的巨大潜力。这一成果不仅为光电流探测器的开发提供了新思路，也为铁电材料在纳米光电设备中的应用奠定了基础。BP-Bi 的低带隙特性和优异的光电性能，使其成为未来光电探测器研究的有前景材料，预示着在光电能量转换领域可能的技术突破与应用前景。 参考文献 Photodetector Based on Elemental Ferroelectric Black Phosphorus-like […]
低维半导体材料与电子器件摘要合集（二）
第一性原理量子输运模拟亚5nm单层锗烷晶体管的性能限制 二维锗由于其较低的有效质量和较大的电子—空穴迁移率，被认为是一种有前途的取代硅的新型沟道材料。本文研究了栅极长度(Lg)小于5 nm的单层锗烯晶体管的输运特性。结果发现，Lg为3 nm和5 nm的n型锗烯晶体管符合国际半导体技术路线图(ITRS)对高性能(HP)器件的开态电流(Ion)、有效延迟时间和功率时延迟乘积的要求。值得注意的是，通过引入负电容(NC)介电层，Lg为5 nm的p型锗烯晶体管几乎能够满足HP器件的ITRS要求。尽管通过加入NC介电层将栅极长度减小到2nm，但n型和p型的开态电流仍然满足大约80%的ITRS标准。因此，单层锗烯作为沟道材料在亚5nm尺度下的HP应用具有很大的潜力。(Journal of Applied Physics, 2024, 135(13). DOI:10.1063/5.0192389) 第一性原理研究应变调节MS2/硼烯和MSeS/硼烯(M = Cr, Mo, W)异质结构的电子性质、界面接触和输运性质 控制界面接触性能以形成低阻欧姆接触对设计低功耗二维器件具有重要意义。本文利用密度泛函理论(DFT)结合非平衡格林函数(NEGF)方法，研究了具有狄拉克锥的二维半金属硼烯与MS2、MSeS/硼烯(M = Cr, Mo, W)的不同接触类型。结果表明，在无应变的情况下，不同的范德华异质结(vdWHs)表现为n型(p型)Schottky接触类型，其中CrS2/硼烯vdWHs具有较低的势垒高度(Φn = 0.08 eV)。其次，我们发现面内应变比垂直应变更有效。在面内应变调制下，随着拉伸应变的增大，接触类型由肖特基接触转变为欧姆接触。同样，随着压缩应变的增加，接触类型也会从肖特基型转变为半导体型。在垂直应变的影响下，只有当层间距增加到0.4Å以上时，CrS2/硼烯vdWHs才转变为欧姆接触。最后，还研究了基于器件角度的欧姆接触形成和输运特性。这些发现表明，界面接触类型可以通过应变有效地调节，这对于设计和制造由硼烯基vdWHs组成的新型纳米电子器件至关重要。(Applied Surface Science, 2024, 652: 159363. DOI:10.1016/j.apsusc.2024.159363) 第一性原理研究biphenylene, net-graphene, graphene+, and T-graphene的电子性质 自石墨烯分离成功以来，碳材料以其优异的物理化学性能吸引了大量研究者的兴趣。本文将密度泛函理论与非平衡格林函数相结合，系统地研究了biphenylene、net-graphene、 graphene+和T-graphene的电子结构。结果表明，四者均表现出金属性质，其中biphenylene和net-graphene表现出各向异性，而graphene+和T-graphene表现出各向同性。此外，还系统地研究了基于net-graphene纳米带的纳米器件在扶手椅形和锯齿形方向上的电子输运特性，发现在扶手椅形和锯齿形方向上存在显著的负微分电阻特性，表明net-graphene纳米器件在未来的电子纳米器件中具有良好的实际应用前景。（RSC advances, 2024, 14(12): 8067-8074. DOI: 10.1039/D4RA00806E） DFT研究单层Si9C15的纳米电子学和光催化应用以改善其电子输运和光学性质 二维碳化硅材料因其与当前硅基技术的兼容性而脱颖而出，在纳米电子学和光催化方面具有独特的优势。在本研究中，我们采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法研究了实验合成的单层Si9C15的电子性质、输运特性和光电性质。发现Si9C15在a方向上的电子迁移率(706.42 cm2V -1s -1)与空穴(432.84cm2V -1s -1)相比具有显著的方向各向异性。电输运计算表明，具有3nm沟道长度的构型在偏压下显示开态，峰值电流达到150 nA。此外，该最大电流值在拉伸应变下升级到200 nA，与5nm通道相比增加了约100倍，5nm通道仍处于关闭状态。Si9C15具有较高的光吸收系数(~105cm-1)且满足pH 0-7下水分裂的能带边缘位置。施加1 ~ […]