研究背景 随着人工智能、物联网和边缘计算的发展，信息器件需要在更小尺寸下实现更高密度、更低功耗和更丰富的状态编码。多铁隧道结（MFTJ）能够同时利用铁电极化和磁构型调控隧穿电流，有望通过隧穿电致电阻（TER）和隧穿磁电阻（TMR）实现多阻态非易失存储。然而，传统氧化物多铁隧道结常受到界面缺陷、接触电阻和较大电阻面积乘积（RA product）的限制，难以兼顾高开关比与低读写功耗。二维范德华材料表面无悬挂键、界面洁净，可在原子级厚度下构建高质量铁电/铁磁异质结，为低 RA、多阻态自旋电子器件提供了新的材料平台。该研究基于第一性原理和 DFT-NEGF 输运计算，提出由半金属 CoGa2Se4 电极夹持铁电双层 Ga2Se3 的 Cu/CoGa2Se4/bilayer-Ga2Se3/CoGa2Se4/Cu 范德华反铁电多铁隧道结（AFMFTJ）。研究重点在于揭示铁电极化如何驱动界面准欧姆/肖特基接触转换，并进一步实现巨 TER、显著 TMR、低 RA 以及可反向切换的光响应。 研究内容 首先构建四层半金属/铁电/铁电/半金属范德华异质结构模型。双层 Ga2Se3 可形成 FE-R、FE-L、AFE-H 和 AFE-T 四种极化态，不同极化方向改变界面电荷转移与内建电场，从而调节两侧 CoGa2Se4/Ga2Se3 接触类型。该思路将铁电极化从“调势垒高度”进一步扩展到“调界面接触”，为多阻态隧穿结设计提供了更直接的物理手段。 图 1.（a）由铁电双层晶体夹在两个半金属层之间构成的 vdW AFMFTJ 示意图，黑色虚线框表示可通过反转横向外加电场方向来操控铁电极化方向。（b-e）通过 vdW 界面工程在四层多铁模型中实现多电阻态的设计原理，并给出四层结构模型中 vdW 铁电双层的示意电子能带结构。横向蓝色箭头和纵向红色箭头分别表示铁电层的铁电极化方向和半金属层的磁化方向，灰色箭头表示电子转移方向。 材料性质方面，单层 CoGa2Se4 表现出半金属性，自旋向下通道具有约 0.80 eV 能隙，可作为高自旋极化电极；单层 Ga2Se3 为稳定半导体，间接带隙约 1.05 eV，并具有可翻转的面外铁电极化。二者通过范德华作用堆叠后，既保持各自功能特征，又形成可由极化调控的界面能带排列。 图 2.（a）单层 CoGa2Se4 晶体结构的俯视图和侧视图（b）P↑ 态和（c）P↓ 态下单层 Ga2Se3 晶体结构的俯视图和侧视图（d）单层 CoGa2Se4 和（e）单层 Ga2Se3 的能带结构，蓝色箭头表示铁电极化方向。 能带计算表明，四种极化态对应完全不同的界面接触。FE-R 和 FE-L 中，一个界面接近准欧姆接触，另一个界面形成肖特基势垒；AFE-H 中两侧界面均趋向准欧姆接触；AFE-T 中两侧界面均表现为肖特基接触。该接触转换来源于 CoGa2Se4 与双层 Ga2Se3 之间的功函数差、极化场驱动的能带移动以及多界面电子转移。 […]

交错磁体 CrSb 基磁性隧道结中的自旋依赖输运 交错磁性是一种新兴磁有序态，兼具铁磁体的自旋极化和反铁磁体抵抗磁扰动的能力，为突破传统自旋电子器件的性能瓶颈提供了新途径。本文聚焦交替磁体 CrSb，通过对称性分析和密度泛函理论计算，揭示其三维布里渊区内由实空间旋转与镜面操作保护的自旋极化能带结构，并分析自旋轨道耦合对能带简并的调控作用。结合非平衡格林函数方法，研究基于 CrSb 的交错磁性隧道结的量子输运性质。结果表明，采用 2.196 Å 真空势垒时，费米能级附近的隧穿磁阻比达到 60%；当真空替换为有效厚度 4.4 Å 的单层 h-BN 后，TMR 降至 20%。该工作结合 Néel 自旋流，阐明了交错磁性子晶格自旋通道的协同输运机制，拓展了交替磁体的理论框架，并为基于 g 波对称交替磁性的自旋电子器件设计奠定基础。（Applied Physics Letters, 2025, 127: 182409. DOI: 10.1063/5.0278985.） 原子位移下 Rashba 自旋轨道耦合增强 Cs3Bi2Br9/α-In2Se3 异质结构的铁电性与自旋动力学 多种材料中已发现有趣的铁电极化，其中本征对称性破缺和自旋轨道耦合发挥重要作用，但 Br 原子位移条件下 Rashba 自旋轨道耦合调控铁电性质的机制仍不清楚。本研究采用杂化泛函和包含自旋轨道耦合的第一性原理非绝热分子动力学，阐明原子位移对铁电 Cs3Bi2Br9/α-In2Se3↓ 异质结构铁电性和载流子自旋动力学的影响。结果显示，Rashba 自旋轨道耦合通过增强对称性破缺显著提高铁电性；Br 原子位移使铁电极化达到 0.69 μC/cm2，自旋分裂强度达到 αR = 1.18 eV/Å。自旋分裂发生在异质结构导带底，同自旋通道载流子主要通过电子-声子耦合弛豫。弛豫过程由自旋向下载流子主导，其电子与空穴弛豫时间差为自旋向上通道的约五倍（空穴约两倍）。当 ΔdBr-Bi = 0.008 Å 时，界面电子-空穴复合时间缩短至 122.78 fs，并显著改善载流子分离效率。研究还表明，铁电极化能够有效调控该异质结构中的自旋光电流。（Physical Review B, 2025, 112: 174312. […]

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 […]

研究背景 随着集成电路器件尺寸持续向亚 5 nm 尺度推进，传统硅基 MOSFET 在短沟道效应、量子隧穿及功耗控制等方面面临严重瓶颈，难以满足未来高性能与低功耗芯片的发展需求。如何在极限尺度下实现高驱动电流、低泄漏及良好的栅控能力，并能够与现有硅基工艺相兼容，有效利用现有器件制造技术，成为下一代晶体管研究和应用亟须解决的关键问题。 研究内容 该研究针对超短沟道 MOSFET 性能提升这一核心问题，基于一类具有硅基工艺高度兼容性的二维单层材料 MNH2（M, N = C, Si, Ge），在保证高载流子输运能力的同时实现与现有工艺体系的良好兼容，为器件实际应用提供基础。该工作系统地开展了器件物理与量子输运研究，并构建适用于亚 5 nm 尺度的双栅 MOSFET 模型，深入分析其输运特性与性能极限。 图 1. MNH2单层几何结构及电子性质 研究结果表明，通过引入 Underlap 结构对沟道势垒进行调控可有效抑制短沟道效应并降低漏电流，从而在保证高导通电流的同时实现低功耗运行。通过系统分析不同结构参数对器件性能的影响，揭示了超短沟道条件下电流输运由隧穿机制向热发射机制转变的关键物理过程，从机理上实现器件性能的优化与提升。 图 2. 二维 MNH2 MOSFET 器件结构及输运特性 在器件性能方面，基于 MNH2 材料构建的 MOSFET 在亚 5 nm 尺度下表现出显著优势。在 5 nm 栅长条件下，器件导通电流最高可达 4157 μA/μm（n 型）和 3527 μA/μm（p 型），显著优于多数已报道的二维半导体器件。同时，器件的亚阈值摆幅最低可达 58 mV/dec，接近传统 MOSFET 理论极限，表明其具有优异的栅控能力和开关特性。 图 3. 二维 MNH2 MOSFET 开态电流特性比较 在动态性能方面，该类器件的延迟时间和功耗延迟积均远低于国际半导体技术路线图（ITRS）2028 指标要求，体现出良好的高速与低功耗特性。此外，在栅长进一步缩小至 3 nm 时，器件仍能够保持较高性能并满足高性能应用需求，显示出优异的尺度可扩展能力。与现有二维材料相比，该体系在驱动电流、功耗及综合性能方面具有明显优势，同时具备良好的工艺兼容性，为实际应用提供了重要基础。 值得注意的是，该体系呈现出良好的 n-p 对称性，适于用作 CMOS 器件。该研究系统证明了 MNH2 二维材料在亚 5 nm MOSFET 中的应用潜力，实现了高性能、低功耗与工艺兼容性的综合平衡，为后硅时代晶体管设计提供了新的技术路径和理论依据。 图 4. 二维 MNH2 MOSFET 功耗延迟积特性比较 总结 该研究面向先进微电子与集成电路领域，在下一代超大规模集成电路、低功耗高性能芯片以及新型二维半导体器件中具有重要应用前景。由于 MNH2 材料体系在电学性能与硅基工艺兼容性之间实现了良好平衡，可作为亚 5 nm 及以下节点 MOSFET 的潜在候选沟道材料，为先进制程技术提供新的解决方案。 在高性能计算、人工智能芯片以及移动终端等领域对器件功耗与性能的要求不断提升，该研究提出的材料与器件有望显著提升芯片能效比。同时，由于其 n 型和 p 型器件性能均衡，具备良好的 CMOS 集成潜力，可支持未来新型逻辑器件的发展。随着后硅时代电子技术的持续演进，该成果有望在纳米电子器件及高端芯片制造中发挥重要作用，具有良好的应用前景与推广价值。 参考文献 Hao-Ran Hu, Yan-Dong Guo, et al. Monolayer MNH2 (M, N = C, Si, Ge): Enabling sub-5-nm MOSFETs compatible with silicon-based manufacturing. Physical Review Applied, 2026, 25, 014058 […]

基于 WTe2 单层的超灵敏、可回收 FET 型有毒气体传感器 场效应晶体管（FET）型气体传感器因其功耗低、灵敏度高而吸引了大量研究人员的关注。然而，对其传感能力和内在机理的理论探索仍然十分匮乏。本文以单层纯 WTe2 和缺陷 WTe2 为传感平台，利用第一性原理计算和统计热力学模型，系统地研究了 FET 型气体传感器对 SO2、CO、NO、NH3 和 NO2 等多种有害气体的传感特性和工作原理。研究结果表明，基于纯 WTe2 的 FET 型气体传感器在零栅压下工作时，对 NO2 的检测具有极高的灵敏度和重复使用性，在 20 ppb 低浓度下的灵敏度达到 96%。引入 Te 空位是一种高效的策略，可以提高气体传感器对所有测试有毒气体的灵敏度，同时确保其可重复使用性。在基于纯 WTe2 的 FET 型气体传感器上施加栅压可进一步提高其对 NO2 的灵敏度，在整个偏压范围内超过 90%，在 3 V 栅压下达到 97%。本研究为实现 ppb 级浓度有毒气体的超灵敏和可回收检测提供了一种前景广阔的方法。 Journal of Materials Chemistry A, 2024, 12(39): 26951-26961. DOI :10.1039/D4TA02739F 金修饰的黑磷：氮氧化物去除剂和氢传感器 有效检测有毒气体和清洁能源氢气是工业生产和日常生活的迫切需要。本文通过密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，从理论上研究吸附/掺杂金的黑磷单层对六种不同气体（CO、H2、H2S、NO、NO2 和 SO2）的传感特性。计算得出的吸附能、电荷转移、电子局域函数、能带结构和态密度表明，吸附/掺杂金的黑磷对氮氧化物气体表现出敏感的化学吸附。而令人惊讶的是，掺杂金的黑磷对 H2 分子表现出敏感的物理吸附。计算得出的恢复时间和电流电压曲线表明，吸附/掺杂金的黑磷器件是一种超灵敏（灵敏度为 71%-100% ）的氮氧化物分子去除器。更重要的是，掺杂金的黑磷传感器可在室温下实现对 H2 的高灵敏度（灵敏度为 85%）、选择性和可重复使用性（恢复时间为 0.01 ns）检测。本研究结果为吸附/掺杂金的黑磷在气体传感领域的潜在应用提供了理论依据，尤其是在理想的氮氧化物去除剂和 H2 传感器方面。 Applied Surface Science, 2024, 651: Article 159194. DOI:10.1016/j.apsusc.2023.159194. 利用新型二维五边形 Pd2P2SeX（X= O、S、Te）pin 结纳米器件设计高性能场效应、应变/气体传感器：传输特性研究 在现代纳米器件领域，获得高开关性能并在高精度环境中实现传感检测功能至关重要。二维（2D）Pd2P2SeX（X = O、S、Te）具有优异的几何、物理和化学特性，可以结晶成具有间接带隙的正交结构。基于这些基本特性，通过第一性原理对二维 Pd2P2SeX pin 结器件进行建模以模拟场效应晶体管、高开关比应变传感器和基于化学吸附的气体传感器。Pd2P2SeX pin […]