研究背景 随着晶体管栅长缩小到亚 10 nm，传统硅基场效应晶体管不可避免地受到短沟道效应限制，难以同时满足高性能（HP）和低功耗（LP）应用需求。二维半导体具有原子级厚度和无悬挂键表面，有利于增强栅控能力、抑制短沟道效应，因此成为后硅时代超短沟道晶体管的重要候选材料。本研究以 Janus MoSiGeN4 单层为沟道材料，利用 QuantumATK 中基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法（DFT-NEGF）系统研究亚 5 nm FET 的工作机理、性能极限和优化策略，重点揭示内禀面外极化场在增强器件性能中的作用。 研究内容 研究首先比较了非极性二维半导体和极性 Janus 二维半导体在短沟道 FET 中的差异。对于 MoSi2N4、MoGe2N4 等非极性材料，上下表面对称，顶栅和底栅器件在零偏压和零栅压下具有相同电子势垒。相比之下，Janus MoSiGeN4 由于结构反演对称性破缺，形成面外极化，使顶栅和底栅器件具有不同势垒，从而为提高开态电流和改善亚阈值特性提供可能。 图 1.（a）基于“非极性”和“极性”二维半导体的场效应晶体管（FET）示意图。非极性（b1–d1）和极性（b2–d2）二维半导体的几何结构、有效势能及静电势差，分别以 MoSi2N4/MoGe2N4 和 MoSiGeN4 表示。在零偏压和栅极电压下，（e1）MoSi2N4 和（e2）MoSiGeN4 基 FET 的顶栅（Φe(TG)）与底栅（Φe(BG)）电子势垒。（f1）MoSi2N4 和（f2）MoSiGeN4 基 FET 的亚阈值斜率（SS）。 随后分析 MoSi2N4、MoSiGeN4 和 MoGe2N4 三种单层材料的几何结构和电子结构。计算结果表明，Janus MoSiGeN4 是稳定半导体，带隙约为 1.31 eV，介于 MoSi2N4（1.81 eV）和 MoGe2N4（1.02 eV）之间。由于面外电势不对称，MoSiGeN4 中存在从 Si 原子层指向 Ge 原子层的极化方向。在器件性能方面，构建以 MoSiGeN4 为沟道的双栅 FET，并与 MoSi2N4、MoGe2N4 器件进行对比。结果显示，7 nm 栅长 MoSiGeN4 FET 的开态电流达到 1030 μA/μm，更接近 HP 标准；5 nm 栅长器件开态电流达到 1015 μA/μm，超过 HP 标准约 12.8%。同时，MoSiGeN4 器件的亚阈值摆幅优于对照材料，说明面外极化有助于提高栅控效率。 图 2. 单层（a）MoSi2N4、（b）MoSiGeN4 和（c）MoGe2N4 的顶视图、侧视图及能带结构，虚线标记的菱形代表晶胞。（d）双栅极场效应晶体管的示意图。（e）7 nm 和（f）5 nm 栅长 MoSi2N4/MoSiGeN4 和 […]

研究背景 随着全球能源需求的持续增长与环境问题的日益严峻，开发高效率光电转换材料成为新能源领域的重要研究方向。传统单结半导体光伏器件受 Shockley–Queisser 极限的限制，其光电转换效率难以进一步提升。为突破这一理论瓶颈，中间带（Intermediate-Band, IB）光电材料被提出，通过在禁带中引入中间能级，使材料能够吸收低能光子，从而显著提高光谱利用率和器件效率。然而，实现理想中间带结构仍面临巨大挑战，尤其是在保证中间带与价带、导带有效分离及适当占据的条件下。 金刚石作为一种典型的宽禁带半导体，具有优异的热导率、化学稳定性和载流子迁移率，是构建高性能光电器件的潜在候选材料。然而，其超宽带隙限制了对可见光的吸收能力。近年来，缺陷工程被广泛用于在半导体中引入中间能级，但单一缺陷调控往往难以实现理想的中间带结构。同时，应变调控（应力工程）作为一种有效的能带调节手段，可进一步调控电子结构与能级分布。 因此，将缺陷工程与应变调控相结合，系统研究其对金刚石中间带形成及光电性能的影响，对于实现高效中间带光电材料具有重要意义，并为新型高效率光伏器件的设计提供理论依据。 研究内容 该研究围绕在金刚石中构建理想中间带光电材料这一目标，系统探讨了缺陷工程与应变调控协同作用对其电子结构的影响。首先，基于第一性原理计算，构建多种含缺陷的金刚石模型，分析其对能带结构和态密度的调控作用，重点考察缺陷在禁带中引入中间能级的能力及其位置分布。 图 1.（a）3 × 3 × 3 超胞中 B-As 共掺杂金刚石的构型（b）3 × 3 × 3 超胞中 B-As 共掺杂金刚石的能带结构（c）2 × 2 × 2 超胞中 B-As 共掺杂金刚石的构型（d）2 × 2 × 2 超胞中 B-As 共掺杂金刚石的能带结构（粉色球代表 B 原子，紫色球代表 As 原子） 在此基础上，进一步引入应变调控，研究外场对中间能级位置、带宽及占据情况的影响。通过系统比较不同缺陷类型与应变条件下的电子结构特征，评估是否满足理想中间带材料的关键要求，即中间带应位于禁带中间、与价带和导带保持有效分离，并具备合适的电子占据状态。 图 2.（a）未受压 C61B2As 的结构示意图和态密度图（b-d）分别为沿 X、Y 和 Z 方向施加 80GPa 单轴应力时 C61B2As 的结构示意图和电子态密度图（箭头表示压缩方向） 进一步，通过计算不同单轴压应力下 C61B2As 的态密度、带隙以及光吸收系数，研究单轴应力对 C61B2As 电子、光学性质的影响。 图 3.（a）沿 Z […]

研究背景 随着信息技术和微电子产业的迅速发展，传统硅基器件在尺寸不断缩小的过程中逐渐面临短沟道效应增强、功耗增加以及散热困难等问题，因此开发具有优异电子输运性能的新型低维材料成为纳米电子学领域的重要研究方向。二维材料由于具有原子级厚度、较高的载流子迁移率以及良好的界面特性，被认为是构建下一代高性能纳米器件的理想候选材料。自石墨烯发现以来，过渡金属硫族化物（TMDs）、黑磷以及多种二维化合物相继被广泛研究，但部分材料仍存在带隙调控困难、稳定性不足或器件性能受限等问题，因此寻找性能更加优异的新型二维材料仍具有重要意义。 近年来提出的 MA2Z4 型二维材料体系为新型纳米电子器件研究提供了新的思路。这类材料通常由过渡金属层与氮化物层构成，具有稳定的层状结构和可调的电子性质。其中，WGe2N4 单层材料由于其独特的晶体结构和良好的电子特性而受到关注。 研究内容 该研究基于第一性原理计算与非平衡格林函数（NEGF）方法，系统研究了 WGe2N4 单层材料的结构稳定性、电子性质以及其在纳米电子器件中的应用性能，重点探索在 pn 结二极管、场效应晶体管（FET）和光电子器件中的潜在应用。 首先，对 WGe2N4 单层材料的晶体结构、力学稳定性及声子性质进行计算分析。结果表明该材料具有良好的热力学和动力学稳定性，同时表现出较高的机械刚性和各向异性的弹性性质，为构建稳定的二维纳米器件提供了基础。 图1. WGe2N4 单层的几何和电子结构：（a）俯视图和侧视图（b）声子谱和元素投影声子态密度（c）在 AIMD 模拟过程中总能量随时间的变化；元素投影能带和投影态密度基于（d）PBE 和（e）HSE06 进一步探究费米能级附近的电子态，对 Γ 点附近导带和价带的能量分布进行分析。发现电子在二维平面具有较好的传播特性，说明材料具有良好的载流子输运潜力。 图2.（a）导带底部和价带顶部在 Γ 点附近的三维视图；（b）和（c）为第一布里渊区的二维投影。颜色刻度表示的数据范围从低（红色）到高（紫色）。 随后，研究构建 WGe2N4 pn 结纳米二极管模型，通过电子输运计算分析其电流-电压特性。结果显示该器件具有明显的整流行为和较高的整流比，表明 WGe2N4 在纳米尺度二极管器件中具有良好的应用潜力。 图3. 基于 WGe2N4 单层的 PN 结二极管（a）原理图（b）偏置相关电流（c）整流比 Rr 曲线（d）差分电导 dI /dV（e）温度依赖性的理想因子 n 曲线，虚线表示理想情况（n = 1） 在此基础上，进一步设计 WGe2N4 基 pin 结场效应晶体管（FET）。计算结果表明，该器件具有优异的开关比、良好的栅极调控能力以及稳定的电子输运特性，能够有效抑制短沟道效应，展现出较好的逻辑器件应用前景。 图4. WGe2N4 单层 pin 结场效应晶体管的（a）原理图，电子传输特性：在（b）0 V 和（c）-0.4 V 的栅极电压下，与偏置相关的电流和整流比曲线（d）在栅极电压范围从 -0.4 V 到 0.4 V 的情况下，当偏置电压为 0.6 V 时的电流特性。 最后，研究还分析了 WGe2N4 单层的光学吸收和光电响应特性。结果表明该材料在可见光区域具有较强吸收能力，并表现出良好的光电导效应，说明其在光电探测器和光电子器件方面也具有潜在应用价值。 图5. WGe2N4 薄层的光电特性（a）光吸收系数（b）光电导率，基于 WGe₂N₄ 单层的 pin 结光电晶体管的（c）示意图（d）在无外加偏压（即无电源供应）的情况下的光电流密度。实线和虚线分别代表由 PBE 和 HSE06 方法获得的结果。插入的光谱图案表示可见光区域。 总结 本文基于第一性原理计算和非平衡格林函数（NEGF）方法，系统研究了 WGe2N4 单层材料的结构稳定性、电子性质及其在纳米器件中的应用潜力。计算结果表明，WGe2N4 单层具有良好的热力学与动力学稳定性，并表现出适中的半导体带隙和良好的电子输运特性。在此基础上，构建了基于 WGe2N4 的 pn 结纳米二极管、pin 结场效应晶体管、pin 结光电场效应晶体管模型，并对器件的性能进行了细致的研究。结果表明，WGe2N4 单层材料在高性能纳米电子器件领域具有重要应用潜力，为二维材料在未来低功耗电子器件中的应用提供了理论参考。 参考文献 Li […]

研究背景 过渡金属二硫化物（TMDCs）因其优异的电子和光学性能，成为各种应用中非常有前景的材料。这些材料的单层、少数层和块体多层结构可以通过各种方式进行合成，对材料的掺杂、缺陷工程和异质结构制备等技术还可以实现性能的定制。磁隧道结（MTJ）由两个被绝缘薄层隔开的铁磁电极组成。当铁磁电极的磁矩的平行（反平行）配置时，MTJ 表现出最小（最大）电阻，电阻的变化幅度可以以隧穿磁电阻（TMR）表示。在二进制术语中，这些电阻最小（最大）状态对应于 0/1。这些磁性比特的状态可以通过自旋转移力矩（STT）、自旋轨道力矩（SOT）或外部磁场来操纵。MTJ是自旋电子学的基本器件单元，主要用于读取和写入器件的磁性状态。其低功耗、大面积可扩展性、几乎无限的耐久性和非易失性使其适用于各种应用，如模数转换器、微波发生器、振荡器、磁传感器、非易失触发器、神经形态计算机、全加法器、基于自旋的 NANDS、自旋逻辑和磁随机存取存储器（MRAM）。 研究内容 作者研究了 Co/XY2/Co（X∈（Mo，W），Y∈（S，Se，Te））构成的高自旋极化电流的磁隧道结（MTJ）。密度泛函理论（DFT）用于计算基态电子性质，非平衡格林函数方法则用于量子输运计算。 图1. Co/XY2/Co 的结构示意图 对 2D（kx，ky）布里渊区中的波函数振幅衰减系数 κ 的计算表明，在所有这些二维半导体中，输运主要发生在远离 Γ 点、沿 Γ 到 M 的方向。 图2. 彩色图表示二维布里渊区中（a）MoS2、（b）MoSe2、（c）MoTe2、（d）WS2、（e）WSe2 和（f）WTe2 的波函数衰减系数 κ (EF，k∥) 与横波矢量 k∥ 的函数关系（在EF处于带隙中间的时的计算结果）。六边形格子包围着以 Γ 为中心的二维布里渊区，而颜色从蓝色到绿色再到红色表示衰减系数κ线性变大。 在使用各种材料构造的 MTJ 中，Co/MoS2/Co 结构在 E−EF = -0.29 eV 时获得了最高的 TMR 为 525%；Co/MoSe2/Co 结构在 E−EF=-0.28 eV 时，最高 TMR 为 2500%；在 Co/MoTe2/Co 的 E−EF=0.26 eV 时，最高 TMR 为 350%。在同向极化组态中，隧穿区会出现占主导地位的少数自旋电流。费米能级以上或以下 1 至 2 […]