低维半导体材料与电子器件摘要合集(二)

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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 ~ […]

BiN单层在光催化和压电催化双重效应下分解水

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背景简介 随着全球对可持续能源的需求日益增加,开发高效的氢气生产技术显得尤为重要。水分解作为一种清洁氢气的来源,近年来受到广泛关注。光催化和压电催化是两种具有潜力的水分解技术,分别利用光能和机械能进行反应。光催化依赖于半导体材料在光照下激发电子,而压电催化则利用材料的压电效应在机械应力下产生电荷,从而促进反应。 BiN单层材料因其独特的电子结构和良好的光学特性,成为研究的焦点。前期研究表明,BiN单层在光催化方面表现出色,但其在压电催化中的潜力尚未被充分探索。因此,本研究旨在深入分析BiN单层在光催化和压电催化水分解中的双重功能,揭示其工作机制。 通过系统的理论和实验研究,本文将探讨BiN单层在不同催化条件下的性能表现,力求为新型催化剂的开发提供重要依据。这不仅有助于推动水分解技术的发展,也为氢能的可持续利用开辟了新的思路。最终,研究成果可能为解决当前能源危机和环境问题提供有效的技术路径。 研究内容 首先,通过理论计算和实验方法,研究团队分析了BiN单层的晶体结构、电子特性和光学性质,确认其具有优良的电子结构和较高的光吸收能力,这为其光催化活性奠定了基础。在光催化方面,研究通过一系列水分解实验验证了BiN单层在紫外光和可见光条件下的催化效率。结果显示,该材料在光照下能够有效产生氢气,证明了其作为光催化剂的潜力。通过光谱分析,研究还揭示了光生载流子的生成与转移过程,深入理解了其催化机理。此外,文献进一步探讨了BiN单层的压电催化特性。研究表明,当BiN单层受到机械应力时,能够产生电荷并有效促进水分解反应,显示出其在压电催化方面的应用潜力。最后,研究总结了BiN单层材料在光催化和压电催化水分解中的双重功能,强调了其在清洁氢气生产中的应用前景。这一研究不仅为催化剂的开发提供了新的方向,也为实现可持续能源转型提供了重要的科学基础。 该工作以“Dual functionality of the BiN monolayer: unraveling its photocatalytic and piezocatalytic water splitting properties” 发表在Physical Chemistry Chemical Physics。 图1。BiN的(a)杨氏模量(Y (θ))、(b)泊松比(v (θ))和(c)剪切模量(G (θ))的角依赖性。 图2。双轴应变下BiN(a)应变能,(b)带隙,(c)CBM和VBM相对于水的还原势(实线)和氧化势(虚线)的变化(黑色表示pH = 0,红色表示pH = 7,蓝色表示pH = 14)。 图3。(a)原始BiN单层沿xx、yy和zz方向的光吸收谱,(b)为+5%(蓝线)和-5%(红线)应变下沿xx方向的光吸收谱。 图4。(a)-(c)分别为-5%应变、原始和+5%应变HER过程的吉布斯自由能,(d)和(e)为原始和+5%应变OER过程的吉布斯自由能。 图5。光催化、压电催化和压电光催化机理示意图。 总结 本文研究了BiN单层材料在光催化和压电催化水分解中的双重功能。研究表明,BiN单层具有优异的光学特性和电子结构,使其在紫外光和可见光条件下都能有效催化水分解反应,产生氢气。此外,当BiN单层受到机械应力时,能够利用压电效应生成电荷,进一步增强催化活性。研究通过实验和理论分析揭示了光催化和压电催化的工作机制,为BiN单层在清洁氢气生产中的应用提供了新的视角。这一发现不仅拓展了BiN材料的应用潜力,也为发展高效的可再生能源技术提供了重要的科学基础。 参考 Dual functionality of the BiN monolayer: unraveling its photocatalytic and piezocatalytic water splitting properties. […]

低维半导体材料与电子器件摘要合集(一)

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ϒ2-graphyne p-n结二极管器件的理论研究 由于ϒ2-石墨烯的可调带隙,人们预计这种结构是p-n结二极管器件的良好候选结构。从静电的角度模拟和研究了本征的、氢化的和氧化的ϒ2-石墨烯纳米带的电子性质。计算了不同电子和空穴掺杂量下的空间电荷区域宽、电场、电势以及电流密度。该研究还计算了各种不同晶胞大小下氢化和氧化的ϒ2-石墨烯纳米带分子器件的态密度、透射谱和电流电压图。(Physica B: Condensed Matter, 2024, 688: 416127. DOI:10.1016/j.physb.2024.416127) 第一性原理研究如何修复由沟道空位缺陷引起的WSeTe SBFET性能下降 利用基于密度泛函理论和非平衡格林函数的QuantumATK软件包预测了以1 T-WTe2为电极、Janus WSeTe为沟道的5.1 nm面内接触双栅WSeTe肖特基势垒场效应晶体管(SBFET)的性能。结果发现,5.1 nm WSeTe SBFET的性能符合ITRS(2013版)关于2028年生产年度高性能器件的预测参数,但源极附近通道的Te(Se)空位缺陷会降低其性能。进一步讨论了Te(Se)空位缺陷的O、Cl和N钝化对WSeTe SBFET性能的影响。结果表明,O钝化可以通过修复由Te(Se)空位缺陷引起的单层WSeTe的态密度变化来修复甚至提高WSeTe SBFET的性能。(Next Materials, 2024, 3: 100179.  DOI:10.1016/j.nxmate.2024.100179) 基于半经验DFT的新型GS-AGNR (N)场效应管电子和量子输运特性研究 本文研究了宽度(N)不同的扶手式石墨烯纳米带(AGNRs)的电子和量子输运特性。采用半经验(SE)密度泛函理论(DFT)方法计算了AGNR体构型的能带结构、态密度(DOS)和透射谱。此外,在沟道材料中,分析了具有栅极堆栈(GS)结构的场效应晶体管的性能。结果表明,AGNR(N = 4)的带隙值为1.98 eV且显示出优异的传输特性。此外,还分析了不同输入电压下的投影局部态密度(PLDOS)下和输运谱,以研究该器件的性能。上述参数为评价器件的共振峰和电子结构方面的性质提供了独特的思路。(IEEE Transactions on Nanotechnology, 2024.23.400-407,DOI:10.1109/TNANO.2024.3394547) 卤代硼烯MOSFETs的电子各向异性和量子输运的理论研究 二维(2D)各向异性半导体,如黑磷烯,在超尺度金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)中显示出强大的潜力,因为各向异性电子结构有利于在10纳米以下栅极长度范围下提高器件性能。类石墨烯金属硼烯可以卤化形成稳定的B4X4(X = F、Cl和Br)单层家族材料,其高度各向异性的半导体电子结构表明在超尺度MOSFET应用中具有潜力。在本研究计算探索了B4X4单分子层作为高性能(HP)5nmmMOSFETs的量子输运特性。n型5nm单分子层B4X4 MOSFETs的HP 开态电流在5nm栅极长度下可达到3000 μA/μm以上,从而满足HP器件的ITRS要求。值得注意的是,通过分析各向异性电子结构(输运有效质量m//和态密度mDOS)之间的物理关系,表明,较大的电子各向异性并不能保证高性能。一个过大的m//或mDOS会抑制饱和电流,导致有限的HP。(Physical Review Applied, 2024, 21(5): 054016,DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.054016)

基于二维材料金属-半导体相变构建的具有低电源电压的新一代晶体管

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研究背景 晶体管是集成电路的基本单元,是上世纪人类最伟大的发明之一。过去近六十年间,晶体管尺寸遵循摩尔定律不断缩小,相应的性能不断提升。但是,随着晶体管尺寸缩小,特别是小于几纳米时,晶体管的功耗会显著增加,极大地制约着新一代器件的设计和制备。在考虑动态功耗和静态功耗下,晶体管的功率密度受晶体管密度、工作频率等因素影响;特别是和电源电压平方正相关。因此,探索晶体管降低电源电压的有效机制,已成为设计下一代低能耗晶体管等电子器件一个重要途径。 研究内容 近日,重庆三峡学院谭兴毅教授、南京理工大学张胜利教授、华中科技大学傅华华教授等,利用二维材料的金属-半导体相变并结合隧道场效应,提出了一种新型具有低电源电压的晶体管设计(见图1)。该晶体管可在极低电源电压(0.05/0.10 V)和极短栅极长度(3~5 nm)下,其开态电流(Ion)、功耗延迟积(PDP)和延迟时间(τ)等关键参量,都很好满足2013版国际半导体技术路线图(ITRS)所规定的对高性能器件要求。特别是其功耗延迟积与延迟时间,显著小于当前报道的所有晶体管,该设计为下一代低功耗晶体管提供了新思路。 图1. 隧道场效应晶体管原理,开态(a);关态(b)。金属-半导体相变晶体管原理,开态(c):沟道材料为金属;关态(d):沟道材料在外电场作用下变为半导体。常规的隧道场效应晶体管原理如图1所示:开态(a),关态(b)。金属-半导体相变晶体管原理,开态(c):沟道材料为金属;关态(d):沟道材料在外电场作用下变为半导体。 图2. (a) 金属-半导体相变晶体管结构图。器件输运特征曲线:(b) 栅极长度3 nm, (c)栅极长度4 nm, (d) 栅极长度5 nm作者计算了栅极长度为3,4,5 nm器件的输运特性,发现栅极长度为3,4,5 nm器件可以达到ITRS中高性能器件的开态电流(900 µA µm-1);栅极长度为4,5 nm器件可以达到ITRS中高性能器件的关态电流(0.1 µA µm-1)。 图3. 器件的PDP与τ关系 作者计算了器件的功耗延迟积(PDP)和延迟时间(τ),发现其功耗延迟积与延迟时间,显著小于当前报道的所有晶体管。 结论 综上所述,本工作利用金属-半导体相变构建了一种新型晶体管,该晶体管具有极低的电源电压和极低的功耗。这不仅为设计下一代低功耗电子设备开辟了新的途径,而且对于推动电子设备向更高能效和更小体积的方向发展具有重要意义。此外,这种新型晶体管的设计和实现,预示着未来电子设备在能效和性能上的巨大飞跃,对于节能减排和可持续发展具有深远的意义。 参考文献 Xingyi Tan, Hengze Qu, Jialin Yang, Shengli Zhang* and Hua-Hua Fu*. A next-generation transistor with low supply voltage operation constructed based on 2D materials’ […]

QuantumATK W-2024.09新版发布

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QuantumATK W-2024.09 新版中,GW 方法得到了大大的改进,不仅拓展了应用的模型范围,还对内存消耗进行了优化,可以计算数百原子的体系;机器学习力场在训练、验证、主动学习等环节和模拟流程上有明显改进,并支持直接使用 M3GNET 和 MACE-MP 势。新增多种动力学方法,包括在给定温度和压力下对体系进行自由能优化,研究固液、固固相平衡,合金中组分与化学势的关系,分析Gruneneisen系数与相关的热性质,以及表面反应的气体分解模块等。半导体点缺陷分析现在支持界面体系,以及单个缺陷的PDOS分析。图形界面也有众多的打磨和改进。 GW多体方法 GW 可以考虑准粒子激发计算得到最高精度的能带,常用于作为其他方法的参考和校准。QuantumATK 中的 G0W0 方法,可以在相对较小的计算成本下计算较大体系,此版本显著更新了 GW 方法。 GW 方法应用体系从半导体、绝缘体块材,扩展到分子、二维体系、三维金属以及与金属的界面等 GW 现在可以进行自旋极化、非共线自旋和非共线自旋轨道耦合计算 计算性能显著改进,内存需求减少至之前的十分之一,因此可以计算数百原子;并行策略大大改善 十八种半导体和绝缘体的能带计算,GW 带隙具有显著的最高精度。 G0W0 方法计算 Si/SiO2/Si 界面(156 原子)的能带排列。使用 14MPI(每 MPI 20 线程)计算时,156 原子耗时 27 小时,78 原子耗时 4.5 小时。 DFT和半经验量子力学方法 新增 LocalTB09 MetaGGA 泛函自动计算与材料等相关的 c 参数与 HSE06 带隙精度大体一致,但是计算成本更低 可用于块体、界面的能带、态密度等或NEGF电子输运计算 新的自动加 U 方法 新增一种自动确定加 U 的方法 其他更新OMX […]

卤化硼烯 MOSFETs 的电子各向异性和量子输运

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背景简介 由于硅固有的物理限制,将硅基金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)持续缩小到 10 纳米栅极长度以下是非常具有挑战性的。而具有各向异性电子结构的二维半导体往往表现出相当高的导通状态电流,因此在纳米电子器件中具有很好的应用前景,但寻找稳定的、各向异性的二维半导体仍然是一个充满挑战性的研究。 研究内容 FIG. 1.单层 B4X4 的 (a) 原子结构、(b)3c-2e 键和 2c-2e 键、(c) 布里渊区、(d)-(f) 能带结构和投影态密度(PDOS)。 本文选取各向异性二维卤化硼烯 B4X4 (X = F, Cl, and Br) 家族材料为例,在这项工作中,计算研究了基于具有各向异性电子结构的单层 B4X4 的 5 nm 栅长 n 和 p 型高性能(HP)MOSFETs 的输运特性。单层 B4F4、B4Cl4 和 B4Br4 的带隙分别为 0.70、1.39 和 1.19 eV。通过应变工程可以扩大单层 B4F4 的小带隙,从而有效地将关态电流抑制在 0.1μA/μm 以下,同时将开态电流提高到 3140μA/μm。值得注意的是,研究表明过大的输运有效质量 m// 和态密度有效质量 mDOS 会导致载流子注入速度降低和饱和电流减小,从而严重限制了导通状态电流。因此在设计 2D 半导体 MOSFET […]

二维范德华异质结构中自旋轨道扭矩的第一性原理模拟和材料筛选

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简介 二维范德华(2D vdW)材料中自旋轨道扭矩(SOT)技术的最新进展不仅将自旋电子器件推向了原子极限,还揭示了非传统扭矩和新型自旋转换机制。在众多2D vdW 材料中观察到的SOT的巨大多样性需要一种筛选策略来确定扭矩器件性能的最佳材料。为了解决这一关键问题,采用密度泛函理论和非平衡格林函数的结合来计算各种二维vdW双层异质结构中的 SOT,发现了三种高 SOT 体系:WTe2/CrSe2、MoTe2/VS2 和 NbSe2/CrSe2。此外,提出了一种允许快速有效地估计SOT的品质因数的方法,从而能够高通量筛选未来SOT应用的最佳材料和器件。 背景 自旋轨道扭矩(SOT)是一种新兴的自旋电子技术,能够通过电流有效地操纵磁化,它激发了各种有前景的应用,包括基于 SOT 的磁阻随机存取存储器(MRAM)、微波器件和非易失性逻辑器件。与商业自旋转移扭矩技术相比,SOT 有望实现更高的电荷到自旋效率、更快的写入操作、更低的写入电流和更多的应用通用性,使其成为一项快速发展的技术。传统的 SOT 器件通常由与自旋轨道耦合(SOC)层相邻的铁磁(FM)层组成,如重金属,由于 SOC 效应,电荷电流被转换为自旋极化电流。这种自旋电流产生一个扭矩,操纵和切换FM层中的磁化。在许多基于各种材料的 SOT 器件中观察到了广泛的扭矩效率,包括拓扑绝缘体和过渡金属化合物。 近年来,各种二维范德华(2D vdW)材料的发现,包括 2D 过渡金属二硫化物(TMD)、2D 磁体和Weyl半金属,为SOT器件开辟了新的途径。2D 材料提供了非传统的 SOT 和新的磁化转换机制。某些二维TMD,如 WTe2,由于其较大的 SOC 效应和较低的晶体对称性,已被发现可以产生具有高扭矩效率的非传统平面外反阻尼 SOT。据报道,2D 磁体具有长程磁序、强垂直磁各向异性和显著的霍尔效应。特别是,2D vdW 拓扑铁磁金属 Fe3GeTe2 显示出巨大的 SOT,提供了对磁态和相变的强大控制。2D vdW SOC/FM异质结构,如与低对称性WTe2 相邻的垂直极化Fe2.78GeTe2,已被实验验证为无场确定性磁开关。 研究内容 先前关于 SOT 器件的理论研究主要集中在扭矩产生机制和磁化转换动力学上。在这项研究中,作者采用密度泛函理论(DFT)结合 QuantumATK 中实现的非平衡格林函数(NEGF)来计算 2D vdW SOC/FM 双层异质结构中的本征 SOT。 作者考虑了一组与自旋电子学相关 2D […]

基于二维双层铁电范德华异质结$\mathrm{CuInP}_2\mathrm{Se}_6$/$\mathrm{Ga}_2\mathrm{O}_3$的铁电隧道结中的高隧穿电阻

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背景简介 目前研究发现,双层范德华异质结的导电性质可以通过比较两种材料接触界面处的功函数差(∆W)来预测:当∆W 大于异质结中功函数较大材料的带隙时,异质结将表现出金属性;相反,当∆W 小于功函数较大材料的带隙时,异质结将成为半导体甚至绝缘体。二维面外极化的铁电材料由于其内部铁电极化场的影响,具有分别在两个表面上的截然不同的两个功函数。需要另一种材料分别与面外极化铁电材料的两个表面接触,以构建具有两个铁电极化态的范德华异质结,则构建的范德华异质结在两种不同的极化态下就会具有明显的导电性差异,满足构建高隧穿电致电阻比的铁电隧道结的要求。然而,由于该条件对所使用铁电材料的极化强度要求高,通常很难找到合适的材料组合。 研究内容 周艳红课题组研究生雷蕾涛提出一种由两种二维面外极化铁电材料组成的双层铁电范德华异质结模型,能更容易找到满足条件的材料组合。因为当两种面外极化铁电材料各有差异比较大的两个功函数,由它们构建的范德华异质结就会有四种可能的∆W。∆W 最大的情况下,往往能够超过构成范德华异质结的两种材料的带隙。此时,异质结将成为导体,而∆W 最小的情况下,一般都会小于构成异质结的两种材料的带隙。此时,异质结将成为半导体或绝缘体。与使用单层铁电材料的范德华异质结相比,双层铁电范德华异质结在构建铁电隧道结中高低导电态更容易实现。基于这种新的铁电隧道结构建模型,他们的铁电隧穿层采用了由两种面外极化铁电材料 CuInP2Se6和Ga2O3 组成的双层铁电范德华异质结。这种范德华异质结的 P↑↑态为具有 0.634 eV 带隙的绝缘态,P↓↓态为零带隙的金属态,因此,在 CuInP2Se6/Ga2O3 范德华双层铁电异质结中可以通过控制铁电极化,实现高导电态(P↓↓态)和低导电态(P↑↑态)的切换。接着,基于该异质结,设计了一个二维面内铁电隧道结,获得高达 106 %的隧穿电致电阻比并通过功函数模型、电荷重新分布和局域态密度对上述现象进行了分析。该工作以“High Tunneling Electroresistance in Ferroelectric Tunnel Junctions Based on 2-D Bilayer Ferroelectric CuInP2Se6/Ga2O3 van der Waals Heterostructure” 发表在IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES。 图1 非导体—导体铁电转换理论模型。分别展示了(a)由非铁电材料和面外极化铁电材料 组成的范德华异质结和在(b)由两种面外极化铁电材料构成的双层铁电范德华异质结中材料的功函数W 和两种材料之间界面处的功函数差∆W。 图2(a)CuInP2Se6单层,(b)Ga2O3单层和 CuInP2Se6/Ga2O3双层铁电范德华异质结在(c) P↑↑态、(d)P↓↓态和(e)P↓↑态下的能带结构图。 图3  N = 2 时,CuInP2Se6/Ga2O3 铁电隧道结的原子结构,(a)P↑↑态和(b)P↓↓态。 图4(a)N = 1、(b)N […]

非对称导电通道和电势重分布的竞争决定了层状铁电材料随极化变化的电导率

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研究简介 存内计算利用存储器进行原位计算,因此有望突破由于数据移动带来的时延与功耗瓶颈。α-In2Se3、和AgSiP2Se6等层状铁电半导体结合了原子级厚度的半导体用于小尺寸逻辑的优势和铁电性用于非易失性存储器的优势。这些半导体为存内计算提供了理想的平台。利用层状铁电半导体作为通道,可以在双端或者三端器件中实现逻辑、内存和神经形态计算功能。这些器件中的多种电导状态为逻辑和内存的集成提供了物理基础。在这种情况下,实现精确的电导调制就变得至关重要。然而,铁电沟道场效应晶体管(FeCFET)中的电导受到铁电极化状态的强烈影响。这种极化-电导耦合出现在铁电沟道内部,与常见的铁电场效应晶体管(FeFET)中不同功能区之间的耦合显著不同。要实现基于各种层状铁电半导体的逻辑和存储器件的功能和性能优化,就必须回答沟道极化如何影响电导这一根本问题。 图1. 双栅极α-In2Se3铁电半导体沟道晶体管 研究内容 作者基于密度泛函理论计算与量子输运模拟,解析了层状铁电半导体α-In2Se3中极化相关电导率的两种基本机制:隐性Stark效应导致的非对称导电通路(图1)和栅极外场诱导的电势重分布(图2)。在这里,作者运用了QuantumATK的能带计算与投影功能来分析不同极化状态下内建电场对铁电半导体能带的影响,运用了QuantumATK计算电势分布、态密度、透射系数等功能研究了器件的输运性质。在文章中,作者后续的实验测试结果进一步验证了这两大机制。 图2. 层状铁电半导体中的隐性斯塔克效应导致非对称导电通路的形成 图3. 相对于栅极的铁电极化方向决定的电势重分布 在理清了极化与电导之间的耦合规律之后,作者提出了精确控制双栅极铁电沟道场效应晶体管的导电阈值的两大策略,即控制导电通道位置或者氧化物厚度,并实现了多种自切换存内逻辑功能。 参考 Quhe, R., Di, Z., Zhang, J. et al. Asymmetric conducting route and potential redistribution determine the polarization-dependent conductivity in layered ferroelectrics. Nat. Nanotechnol. 19, 173–180 (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01539-4

气敏材料与器件的模拟

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QuantumATK 因其在材料电子态、输运性质和分子动力学性质等方面有丰富的模拟工具箱,特别适合研究这类气敏材料和器件特性,包括: 检测分子在材料上的吸附和脱附 使用过渡态搜索或分子动力学方法研究 吸附导致的电输运特性变化 构造器件构型,直接计算体系电流变化与影响因素 相关机理的探讨 丰富的电子态投影、电荷分析、结构分析等手段,帮助理解机理 Biaxila 应变调控 C5N 基二维器件高各向异性气敏性能:第一性原理研究 二维氮化碳材料因其丰富的元素资源、高物理化学稳定性和优异的电子性能,被广泛应用于器件制备、气体吸附与分离等诸多领域。本文采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法,研究了 C5N 基结构的电子结构、输运特性和气体灵敏度。结果表明,电子输运表现出明显的各向异性,其中扶手椅型方向的电子输运比锯齿型形方向的电子输运更具导电性。值得注意的是,两个方向都存在负微分电阻效应。此外,还研究了吸附在 C5N 单层上的无机分子(NO、CO、NO2、SO2 和 NH3)的输运和传感特性。结果表明,CO、SO2 和 NH3 以物理吸附的形式存在于C5N表面,而 NO 和NO2 则以化学吸附的形式粘附在 C5N 表面。设计的C5N 气敏传感器对 NO 和 NO2 分子表现出很高的灵敏度,在 0.1 V 偏压下对 NO2 的灵敏度达到81%。最后研究了应变对气敏器件吸附性能的影响。研究表明,在扶手椅方向施加 -4% 的应变可以明显增加 NO 和 NO2 的电流,显著提高气敏器件的性能。无论是对器件施加应变还是气体吸附,C5N 材料始终保持明显的各向异性。本研究表明 C5N 是一种高度各向异性和灵敏性的二维材料,在电子特性和气体传感领域有着广阔的应用潜力。 Li, H., Liu, Z., Liu, G., Yang, N., Wu, […]

 
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