甲烷自由基对石墨烯愈合的原子水平机制(FlatChem 2023)

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简介 作者综合使用 QuantumATK 中多种材料学计算模拟方法预测了使用甲烷基等离子体自由基碎片CHx(x=1-3)修复石墨烯空位缺陷的可能性。这些碎片在空位缺陷的边缘处具有更高的定位吸附活性。当温度升高时,自由基中的碳原子替代了缺陷处缺失的碳原子,使石墨烯网络恢复到其完美的六边形结构。等离子体自由基碎片也被发现是修复Stone Wales缺陷的有效催化剂。作者使用NEB过渡态搜索方法研究了所考虑的等离子体自由基的愈合机理。所获得的结果可以帮助理解缺陷石墨烯的等离子体辅助修复机制。 吸附热力学 使用密度泛函理论(DFT)和反应性力场(ReaxFF)分别计算多种单碳分子片段在原始石墨烯和空位缺陷石墨烯上的吸附能。结果表明DFT和ReaxFF给出的能量趋势一致,并且物理吸附的CH4具有最小的吸附能。 图。使用DFT(实心黑圈)和ReaxFF力场(空心红圈)计算,甲烷(CH4)分子及其等离子体自由基(CHx(x=1-3))在原始(a)和单空位(b)石墨烯上的吸附能。(b)中的缺陷区域用淡粉色圆圈突出显示。 NEB过渡态搜索 NEB模拟从吸附结构到修复结构的反应路径,中间可能有多个过渡态和中间结构。由此可以大致确定克服反应能垒所需的活化能。 分子动力学模拟 图。在无缺陷石墨烯上吸附的CH(a)、CH2(b)和CH3(c)自由基的体系能量随时间(底轴)和温度(顶轴)的变化。插图显示了能量曲线上所示时间间隔的结构。 图。当自由基(CH(a)、CH2(b)和CH3(c))吸附在单个空位缺陷附近时,能量随时间(底轴)和温度(顶轴)的变化。插图显示了石墨烯愈合之前(插图1)和之后(插图2和3)的系统瞬时结构。 参考 Khalilov, U, et al. Atomic Level Mechanisms of Graphene Healing by Methane-Based Plasma Radicals. FlatChem 2023, 39, 100506. https://doi.org/10.1016/j.flatc.2023.100506

新型二维材料 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 亚5纳米门长晶体管的性能极限(Phys. Rev. Appl. 2023)

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简介 构建互补金属氧化物半导体(CMOS)器件需要 n 型和 p 型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)。但在超短栅长情况下寻找一种 n 型掺杂和 p 型掺杂同时满足国际半导体技术路线图(ITRS)标准的沟道材料仍然是一个挑战。最近合成的二维晶体 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 具有较高的空穴和电子载流子迁移率,为这一问题提供了可能的解决方案 [Science, 2020, 369 (6504), 670-674]。北京大学物理学院吕劲课题组使用第一性原理密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法,探讨了双栅单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ MOSFETs 在亚 5 nm 栅长下的性能极限 [Phys. Rev. Appl., 2023, 20 (6), 064044]。这项研究显示,n型和p型双栅单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ MOSFETs 可将满足ITRS高性能(HP)标准的门长尺寸缩短为 3 nm,开态电流高度对称。在功耗延迟积(PDP)与延迟时间($\tau$)的多目标优化 Pareto 边界分析中,n 型单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 晶体管处于典型二维材料中最优平衡的 Pareto 边界上。显示了单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 作为下一代 CMOS 器件沟道材料的潜力。考虑温度和无序的影响,模拟结果仍然适用。该项工作于今年12月发表在 Physical Review Applied 上,北京大学物理学院博士生黎颖为第一作者,北京大学物理学院吕劲研究员和洛阳师范学院化学化工学院副教授、哈佛大学 John A. Paulson 工程与应用科学学院访问学者孙晓甜为共同通讯作者。 研究内容 本研究通过掺杂浓度和欠叠层结构对亚 5 nm […]

范德华多铁隧道结中面向存算一体的磁电协同控制多级导电态(Nanoscale 2024)

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研究简介 范德华多铁隧道结有望实现小型化、高密度和非易失性存储,在下一代数据存储和存算一体器件中具有巨大应用潜力。福州大学材料科学与工程学院萨百晟课题组联合北京航空航天大学和华中科技大学,采用结合密度泛函理论与非平衡格林函数结合的计算方法,模拟了由铁磁半金属材料 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ 作为自旋过滤势垒,金属材料 $\mathrm{Ti}\mathrm{Te}_2$ 作为电极,铁电材料 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒组成的范德华多铁隧道结器件的自旋输运性质。器件采用双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒时可以同时实现显著的隧道磁阻和隧道电阻效应,在非零偏压下,最大隧道磁阻和电阻比率分别可达6237%和1771%。进一步发现在该多铁隧道结内存在四种可区分的电导状态,即仅需一个多铁隧道结单元就可实现四态非易失性数据存储。且通过等效的磁、电开关可以分别控制器件电流的通断和大小,通过搭建多铁隧道结阵列可同时实现逻辑计算和多级数据存储。这些研究结果揭示了该隧道结在存算一体以及多级数据存储器件中的潜在应用。福州大学材料科学与工程学院博士研究生崔舟为第一作者。该研究得到了国家重点研发计划与国家自然科学基金的资助支持。 研究内容 利用QuantumATK软件,以单层铁电材料 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为势垒层,具有金属性质的 $\mathrm{Ti}\mathrm{Te}_2$ 作为电极材料,搭建了如图1所示的器件模型,图1(a)和(b)中显示了 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 的两种不同极化方向的情况,在考虑铁磁层磁矩的方向后,单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件理论上可以实现四种导电状态。图1(c-f),进一步计算了器件不同状态下的透射系数曲线和费米面处的透射谱,并且统计了各种状态下的费米面出的隧穿磁阻率和隧穿电阻率。对于单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件最大可以实现448%隧穿磁阻率,但是其最大的隧穿电阻率仅有30%。 图1 单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在(a)FE-R-1IS和(b)FE-L-1IS状态下的结构示意图。(c)FE-R-1IS和(d)FE-L-1IS状态下多铁隧道结自旋分辨的零偏压透射系数曲线。(e)FE-R-1IS和(f)FE-L-1IS态下多铁隧道结自旋分辨的透射谱。 将单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 势垒层替换为双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 后,如图 2 所示,不同状态下的透射系数曲线和费米面处的透射谱具有更明显的差异。对于双层$\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件可以实现最大的隧穿磁阻率为5698%,最大隧穿电阻率为1771%。从费米能级处的透射谱可以得知,高的隧穿磁阻率和隧穿电阻率主要是由于平行磁阻态下的自旋向上电子的透射能力具有显著差异。 图2 双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在(a)AFE-T-2IS,(b)AFE-H-2IS,(c)FE-R-2IS和(d)FE-L-2IS状态下的结构示意图。(e)AFE-T-2IS,(f)AFE-H-2IS,(g)FE-R-2IS和(h)FE-L-2IS态下多铁隧道结自旋分辨的零偏压透射系数曲线。(i)AFE-T-2IS,(j)AFE-H-2IS,(k)FE-R-2IS和(l)FE-L-2IS态下多铁隧道结自旋分辨的透射谱。 为了进一步探究这种差异的原因,计算了双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在各种状态下 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ 和 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 层的态密度。从图3中可知,由于受到 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ 铁磁层的影响,$\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 层在费米面处产生了新的态密度,这是造成器件导电能力不同的主要原因。最后本文阐述了器件可能应用的方向。双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件的八个导电状态可以简并为如图4(a)所示的四种可显著分辨的导电状态,仅用两个隧道结单元就可以实现十六种存储状态,用于多态存储,如图4(b)所示。另外,可以将一个隧道结单元等效成为一个磁电开关,用磁场开关控制电路的通断,电场开关控制电流的大小,如图4(c)所示。将多个隧道结单元排列成如图4(d)所示的 N×N 阵列,在输入端加一系列电压,根据基尔霍夫定律和欧姆定律,在输出端可以得到一系列电流,从而完成一次乘法累加运算。由于每个多铁隧道结本身具有数据存储的能力,这样就可以将“存”和“算”集成在同一器件单元上,实现存算一体。 图3 双层 $\mathrm{In}2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在(a)AFE-T-2IS,(b)AFE-H-2IS,(c)FE-R-2IS和(d)FE-L-2IS状态下各个 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ […]

铁电调控的双向光响应器件:基于Van der Waals α-In2Se3/NbX2(X = S, Se和Te)铁电二极管

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简介 双向光电探测器是指在外部刺激下,其光电流可以在不同方向之间切换的设备。在神经形态视觉系统中,单个双向光电探测器可以分别表示兴奋和抑制行为中的正负权重,从而大大减少了人工神经网络中的硬件数量。现有的可调双向光电检测主要依赖于二维材料中的门控带对齐和金属与半导体复合系统中的光热效应。然而,门控工程的要求必然消耗额外的功率,并且光热效应的响应时间过长。 铁电二极管是一种特殊的二极管,其整流方向可以通过极化反转进行切换。基于铁电氧化物的传统体积型Fe二极管可以通过轻松切换其电极化方向来产生非易失的对称双向光响应。这种切换过程具有超快的动力学响应(<1纳秒)和高度可控性,无需持续的电压供应。切换机制源于由极化引起的表面电荷调制的肖特基势垒的高度(SBHs)和内建电场。然而,现有的铁电二极管还主要是基于传统的铁电氧化物材料,在实际应用中存在着较为严重的界面缺陷。 研究内容 利用QuantumATK软件,作者首次使用第一性原理结合量子输运的方法模拟了二维范德瓦尔斯型α-In2Se3/NbX2 (X = S,Se和Te) 铁电二极管的电学传输和光电输运性质。作者通过计算器件的局域器件态密度发现,可以通过调控α-In2Se3的铁电极化方向使器件从一个p-i结转化为一个n-i结,因此其整流方向就会发生转变,从而实现非易失性存储功能和双向光响应效应。作者的工作揭示了vdW Fe二极管在未来计算-传感器架构中具有巨大潜力。 图1. α-In2Se3/NbX2(X=S、Se和Te)铁电二极管中(a)向上极化和(b)向下极化态双向光电流的基本原理 图2. α-In2Se3/NbS2-Fe二极管的局域器件态密度(a)P向上和(b)P向下。子图(c)和(e)与(a)相同,但X分别为Se和Te。子图(d)和(f)与(b)相同,但X分别为Se和Te。每个子图中的两条水平白色虚线之间的距离表示铁电能带偏移(EFE)。中心区域和电极区域由垂直的白色虚线分隔开。 图3. (a) vdW α-In2Se3/NbS2铁电可开关二极管在不同铁电极化和沿y轴以偏振角θ入射的线偏振光下的光响应。子图(b)和(c)与(a)相同,但分别用于NbSe2和NbTe2。子图(d)与(a)相同,但对于沿着z轴入射的具有偏振角Φ的线偏振光。子图(e)和(f)与(d)相同,但分别用于NbSe2和NbTe2。 参考 Fang, S.; et al. Phys. Rev. Mater. 2023, 7 (8), 084412. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.7.084412.

界面设计对磷烯-四硫富瓦烯纳米器件热电传输性质的影响

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简介 近年来,低维纳米器件,特别是单分子器件,因其高导电率、低导热率而在热电研究领域受到了广泛的关注。其中,电极-分子界面的设计对单分子器件的热电转换特性起着至关重要的作用。界面设计和能带工程是提高低维纳米器件热电转换效率的两个关键策略。通过基于第一原理的密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,研究了单个四硫富瓦烯(TTF)分子与扶手椅磷烯纳米带(APNRs)在不同界面模式下的热电性能。结果表明,由于强界面声子散射行为,声子传输在居间弱耦合系统中被显著抑制。此外,通过在居间TTF分子的头尾连接噻吩基团可以得到显著增强的热电优值(ZT)。与单一常规方法相比,复合界面协同设计可以实现更精确的热/电传输性能控制。在保持低声子热导的同时,可以有效提高电导,在0.6eV附近获得了0.73的ZT值。 图. 不同耦合情况下磷烯-TTF纳米器件结构示意图 研究内容 此项研究选取具有较高的载流子迁移率和中等带隙的磷烯纳米带为电极,具有优异的共轭性和高电导性的TTF分子为中心分子,研究了不同耦合下磷烯-TTF分子结的热电性能。然而,关于TTF分子结的热电性质和界面设计对分子结的热电性质的影响的微观机制仍然缺乏。本研究系统地比较了在强耦合和居间弱耦合界面模式下TTF分子结的热电输运特性差异的内在机制。密度泛函理论计算结果表明,由于强界面声子散射行为,声子传输在居间弱耦合系统中被显著抑制,只有极少数声子可以通过两个非键合界面区域从左侧引线传播到TTF分子,然后再传播到右侧引线。同时,居间若耦合系统的电子输运能力得到显著提高,这是由于TTF分子具有良好的平面外电子输运能力。此外,基于面外电子传输机制,在居间TTF分子的头尾连接噻吩基团(THTTF)可以显著提高弱耦合体系的S2σ,并且存在从S原子到上下APNRs的明显电荷转移。加入噻吩基团后,在费米能级两侧THTTF的投影态密度(PDOS)较TTF明显增加。结果表明,与TTF相比,加入噻吩基团后的THTTF更有利于高电导,PDOS结果加强了噻吩基团的有益作用。同时,居间弱耦合结构这一特性能够保证声子传输保持在一个较低的水平。 图.(a-b)传输路径(c)TTF分子的结构示意图以及每个原子的自然轨道所占据的电子数 图. (a-b)电子态密度(c)投影态密度 图.加噻吩基团前后居间弱耦合结构的电导、塞贝克系数、功率因子和热电优值 总结 此项研究利用QuantumATK软件,基于第一原理的密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,研究了单个TTF分子与APNR电极在强耦合和居间弱耦合方式下的热电输运特性。并设计了一种在居间弱耦合结构下加入官能团来调节体系ZT的复合调控方法。结果表明,界面协同设计可以有效地调节分子器件的热电输运特性。 参考 Qiu, Y.; Zhang, B. Interface design of the thermoelectric transport properties of phosphorene–tetrathiafulvalene nanoscale devices. Phys. Chem. Chem. Phys., 2023. https://doi.org/10.1039/D3CP03120A

探索氢键对低维材料金半接触中的性能提升与理论极限(Mater. Horiz. 2023)

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简介 超越硅材料的先进电子学发展需要将沟道材料厚度缩减至二维(2D)极限。然而,利用 2D 半导体制造器件的一个关键挑战是需要接近量子极限的低接触电阻,这主要受限于固有的范德华间隙导致的附加隧穿电阻。最近,半金属(铋、锑等)/二硫化钼接触的强范德华接触接近量子极限,为进一步缩小器件尺寸和延续摩尔定律提供了希望,引发了一波探索 2D 晶体管性能极限的研究热潮。然而,继续降低接触电阻仍然具有挑战性,因为半金属接触受限于范德华相互作用的本质及狭窄的功函数范围。此外,实现清洁无损的金属沉积工艺仍具有一定技术挑战。因此,急需实现能本质上克服范德华间隙的超洁净、无损的金半接触。北京大学信息工程学院张敏课题组利用第一性原理和量子输运模拟,提出与阐明了氢键接触技术在开发新型低维器件和探索性能极限中的潜力,凸显了化学、物理和材料科学之间的交叉研究对电子学发展的重要机遇。 图1. 氢键接触的概念图 图2. 氢键异质结中洁净且紧密的金半接触 研究内容 这项研究基于第一性原理提出利用氢键相互作用本质上克服固有的范德华间隙,并讨论了在各种 2D 半导体中实现良好氢键接触的通用设计理念。鉴于氢键所具备的类似于范德华力的洁净界面特性,且具有更强的电子态耦合能力,氢键接触能够实现接近量子极限的超低接触电阻。此外,2D 材料的表面工程赋予了氢键接触较高的设计灵活性,能够使金半接触同时逼近修正的肖特基-莫特极限。理论预测优异的氢键接触可以为各种新型高迁移率 2D 半导体(如氮化物、氧化物、卤化物、硫族化合物等)提供延续摩尔定律所需的电接触。这项研究成果将为进一步探索 2D 晶体管的性能极限提供理论指导,并为从高性能晶体管到量子器件的广泛应用提供了一种设计理想金半接触的方法,从而加速这个令人兴奋且迅速发展的领域的进步。 图3. 氢键接触在十余种二维半导体中同时实现量子极限和修正的肖特基-莫特极限 图4. 氢键异质结的动力学结构稳定性分析 本研究进一步利用 QuantumATK 中的机器学习力场模块研究了复杂的氢键接触体系的动力学稳定性,在理论上指出了最有利于实验实现的材料组合。使用 QuantumATK 中的 Nudge Elastic Band 模块计算了氢键异质结中氢原子的扩散势垒来进一步评估氢键接触的化学稳定性。研究结果表明,氢原子扩散势垒的高度与异质结的接触性能之间存在权衡。具体来说,随着异质结结合能的增加,两种材料之间的接触会变得更紧密,并表现出更大的隧道概率。因此,这导致氢原子的扩散阻力降低。为了在接触性能和稳定性之间取得平衡,作者重点研究了 Nb4C3(OH)2/MoS2 异质结,它的扩散势垒为 0.94 eV,同时接触电阻较低(n2D = 1.5×1013 cm-2 时为 109.82 Ω μm;n2D = 3×1013 cm-2 时为 57.31 Ω μm)。 为了量化温度效应导致的接触几何形状对电接触的影响,作者利用 QuantumATK 的分子动力学模块在进行长达 100ps 的NVT热平衡之后独立进行了多个时长为 5ps 的 Langevin 动力学采样。由于粒子的初始速度是从随机麦克斯韦分布中产生的,因此对多个样本的结果取平均值可确保在给定温度下产生具有统计学意义的结果。这种方法已被广泛用于解决电子-声子耦合问题(如 Phys. Rev. B, 2017, […]

材料表面处理与加工研究工具

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模拟材料的表面处理与加工,涉及表面体系的刻蚀、沉积、化学反应等复杂的过程。QuantumATK 是包含建模、计算引擎和分析工具等完整工作流程的材料学计算模拟平台,可以使用基于量子力学和力场的计算工具,从热力学和动力学两个方面对这类问题进行研究。 QuantumATK 的优势 可靠且高效的 DFT 计算引擎,可以直接用于上千原子体系的能量、结构、电子态和动力学的研究完整的机器学习力场训练、验证和使用流程,用于更大体系的动力学模拟,支持直接在图形界面上操作直观的溅射/沉积/刻蚀模型和易用的模拟工具 表面处理模拟工具 表面处理模拟工具可以模拟溅射、刻蚀(ALE)和沉积(ALD)等工艺过程扫描一系列向表面“发射”的原子的冲击能量和入射角,以得到最大产率为反应器尺度模型等提供所需的输入物理参数,如溅射产率和粘附系数表面过程模拟可以在原子尺度上理解过程如何演化和趋势,提供溅射、刻蚀、沉积等过程的物理信息支持的反应:气相反应,连续的刻蚀和沉积,自限的表面反应 热化学选择性分析工具 根据热化学条件筛选关键反应,寻找理想反应物和最佳反应条件可以直接利用热化学数据库中的反应物和产物 热解的热化学模拟 新版本扩展了如下所示的表面处理模拟流程,新增在给定温度和压力下进行热化学热解模拟步骤,可以预测气相组成(平衡浓度)。 加速分子动力学模拟结晶过程 结晶在原子时间尺度上通常是一个缓慢的过程,因此使用普通的MD模拟结晶过程非常困难。在QuantumATK中,用户可以用新实现的加速MD方法模拟块体和界面材料中的结晶。 机器学习力场的应用 使用专门训练的 ML 力场(MTP)有效模拟热 ALD/ALE 过程,具有从头计算精度为 HfO2 表面上的 HfCl4 沉积(ALD)提供训练好的 MTP 力场使用特殊的 MTP 力场训练方法为新工艺/材料生成 ML-MTP 力场 参考 QuantumATK功能列表https://www.fermitech.com.cn/quantumatk/feature-list/热化学研究工具示例https://docs.quantumatk.com/tutorials/thermochemistry_analyzer/thermochemistry_analyzer.html沉积反应示例计算https://docs.quantumatk.com/tutorials/deposition_si/deposition_si.html机器学习力场https://www.fermitech.com.cn/quantumatk/tools-ml-ff/

半导体材料点缺陷模拟方法

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半导体材料中的点缺陷可以极大的影响材料的性质,QuantumATK 提供了一整套研究点缺陷性质的工具。用户可以直接使用集成的计算工作流程,自动化的模拟晶体和非晶材料中的带电点缺陷(形成能、陷阱能级)和缺陷扩散。 电子态计算 使用 LCAO 基组与杂化泛函HSE06的组合可用于计算准确的带隙、形成能和陷阱能级,并以与平面波相比,LCAO/HSE06 大大降低的计算成本。当为了避免缺陷自相互作用而使用超大体系进行模拟时,这一点尤为重要。 结构优化 QuantumATK 中可以使用 LCAO 方法的 DFT 工具对大体系结构进行优化,还可以使用训练和使用机器学习力场(MTP)更快的进行结构优化和能量计算,可以得到与 DFT 方法一致的计算精度。QuantumATK 提供专门的适用于缺陷体系的 MTP 训练流程,方便适用。 点缺陷建模 自动找到对称性独特的空位、替位、间隙和分裂间隙缺陷自动搜索对称性独特的缺陷对(使用脚本)计算前在图形界面上查看缺陷结构 创建 SiC 中的 C 空位点缺陷。 点缺陷形成能 自动优化并计算不同带电状态的缺陷态添加各向同性的有限尺寸修正在缺陷计算中增加声子,计算形成自由能(声子计算可以单独指定 DFT 方法或者 MTP 力场方法)带隙、形成能、捕获能级和结构优化可以使用不同的 DFT 方法,包括适用HSE06杂化泛函,使用 LCAO 或 PlaneWave 基组的 DFT图形化分析各种缺陷性质的计算结果 带电点缺陷分析工具用于 SiC 中 C 空位点缺陷(256 原子)的形成能计算。使用HSE06杂化泛函对体系进行电子态、形成能和结构优化计算。能量计算添加有限尺寸校正。在此基础上还可以使用 MTP 机器学习力场计算声子并添加振动校正。 带电点缺陷分析工具用于 SiC 中 C 空位点缺陷(256 原子)的陷阱能级,与实验结果一致。 点缺陷扩散动力学 在可能的缺陷之间自动寻找对称性独特的扩散路径,创建NEB系列结构自动优化扩散路径并选择最低能垒的扩散路径计算不同带电状态的缺陷过渡态使用图形化的缺陷扩散分析工具分析计算结果 […]

电池和储能材料研究案例集(四)

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石墨烯包覆锗作为锗空气电池负极增强电池性能 锗空气电池作为一种新型的半导体空气电池,以其良好的安全性和理想的动力学性能而备受关注。然而,Ge 空气电池在放电过程中也面临着一些挑战,如 Ge 负极的钝化和自腐蚀。本工作通过等离子体增强化学气相沉积制备了 Ge/石墨烯复合负极,并首次详细展示了硬币型 Ge 空气电池的性能。与用裸 Ge 负极制备的Ge 空气电池相比,使用 Ge/石墨烯负极的电池表现出更长的放电时间,提高了38.9%–90.3%,功率密度也更高。石墨烯的引入使得 GeO2 能够均匀沉积,并减轻放电过程中界面处的钝化。此外,第一性原理计算表明,Ge/石墨烯的界面耦合抑制了 H2O 在负极表面的扩散和 GeO2 团簇在负极表面上的积累。本研究采用石墨烯包覆的锗作为负极,缓解了锗空气电池的钝化和自腐蚀问题,为锗空气电池未来的发展提供了新的机遇。 Zhao, T.; Zhang, Y.; Wang, D.; Chen, D.; Zhang, X.; Yu, Y. Graphene-Coated Ge as Anodes in Ge-Air Batteries with Enhanced Performance. Carbon 2023, 205, 86–96. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.01.020 基于聚合物水凝胶的、具有 2.5V 宽的工作电位窗和高能量密度的准固态钠离子超级电容器 本工作报道了一种准固态钠离子基不对称超级电容器(ASC)器件,该器件使用氮掺杂的还原氧化石墨烯(NrGO)和硼掺杂的还原氧化石墨烯(BrGO)电极。通过基于密度泛函理论(DFT)的电极量子电容的计算研究,完成了正极(负极)的 NrGO(BrGO)的选择。纳米纤维素由于其可生物降解性、增强的润湿性、良好的离子渗透性和低成本而被用作电极粘合剂。NaClO4-PVA 基水凝胶膜是所制造的器件中的无隔膜准固态凝胶电解质。NrGO||BrGO ASC 器件的比电容为 251.2 F […]

磁性与自旋电子学研究案例集(四)

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范德华${\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GeTe}}_{2}$异质结构中磁相互作用的调节:从头算方法的比较研究 作者研究了机械应变、堆叠顺序和外部电场对二维(2D)范德华异质结构的磁相互作用的影响,其中二维铁磁性金属 ${\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GeTe}}_{2}$ 单层沉积在锗烯上。使用了三种基于从头算方法的不同计算方法,(i)格林函数方法,(ii)广义布洛赫定理,和(iii)超胞方法,并进行了仔细的比较。首先,计算了独立${\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GeTe}}_{2}$单层晶胞内三个Fe原子的壳层分辨交换常数。作者发现,用方法(i)和(ii)获得的结果在质量上是一致的,并且与以前报道的值在质量上也是一致的。垂直于${\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GeTe}}_{2}$/锗烯异质结构施加 E=±0.5V/Å 的电场会导致交换常数的显著变化。结果表明,${\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GeTe}}_{2}$/锗烯中的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)主要由最近邻主导,导致方法(i)和(ii)之间的定量一致性良好。此外,作者证明了DMI可通过应变、堆叠和电场调节,从而产生铁磁/重金属界面相当的大DMI,铁磁/重金属界面已被公认为承载孤立skyrmions的典型多层体系。几何变化和杂化效应解释了DMI在界面处的高可调性的起源。通过方法(iii)获得的电场驱动DMI与方法(ii)中使用的更精确的从头算方法在质量上一致。然而,方法(iii)高估了DMI的场效应约50%。这种差异归因于方法(ii)和(iii)中应用的从头计算方法中使用的电场和基组的不同实现方法。磁各向异性能(MAE)也可以通过在${\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GeTe}}_{2}$/锗烯异质结构中施加压缩或拉伸应变而显著改变。相反,对于高达 1V/Å 的电场,施加电场只会导致MAE发生相对较小的变化。 Li, D.; Haldar, S.; Drevelow, T.; Heinze, S. Tuning the Magnetic Interactions in van Der Waals ${\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GeTe}}_{2}$ Heterostructures: A Comparative Study of Ab Initio Methods. Phys. Rev. B 2023, 107 (10), 104428. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.104428. 通过相邻掺杂策略引入六方氮化硼的可调谐d0磁性 为了满足由于不断进步的自旋电子学对稀磁半导体(DMS)的需求,设计具有高稳定性、自旋极化和居里温度的d0-DMS是至关重要的。目前引入d0磁性的研究仅限于单原子掺杂,缺乏对局部磁矩和长距离磁耦合的调控措施。在此,采用相邻掺杂策略来引入用于调节d0-DMS的磁性能的自由度。作者观察到,通过分别引入Si和O原子作为中心和相邻掺杂剂,本征非磁性六方氮化硼(h-BN)表现出显著的局部磁矩。此外,还观察到掺杂h-BN的电离能、总磁矩、磁耦合和居里温度对Si–O配位敏感。随后,通过高Si–O配位掺杂设计了具有高热稳定性、100%自旋极化、长程铁磁耦合和高居里温度的磁性半金属(Si–O3掺杂的h-BN)。本研究以Si–O相邻掺杂h-BN的设计为例,提出了一种引入可调谐d0磁性的可行方法。 Wang, B.; Ning, J.; Zhang, J.; Wang, D.; Zhang, C.; Hao, Y. Tunable […]

 
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