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 […]