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 […]

研究背景 光电能量转换是凝聚态物理学中一个至关重要的研究领域。由于电磁场中电场的交替性质，仅依赖线性效应无法在单一材料中产生直流电。为通过光激发在单一材料中诱导直流电，必须考虑非线性效应或高阶相互作用。例如，体光伏效应（PGE）是一种二阶扰动的非线性光电效应，能够在缺乏空间反演对称性的内在材料中诱导直流电流。PGE 探测器不但能够吸收能量低于半导体带隙的光子并产生远高于半导体带隙的开路电压，且光电流探测器不需要构建异质结，减少了生产成本和工艺复杂性。基于PGE制成的光电探测器被认为是下一代纳米光电设备的有前途的候选者。 铁电材料因其缺乏空间反演对称性和铁电可调性而成为先进光电流探测器的理想候选者。最近在二维范德瓦尔斯铁电类黑磷铋（BP-Bi）中实验性观察到了单元素铁电态，其铁电性的起源是由于 Bi 原子的非对称构型，这种构型是由晶格固有的非对称折叠引起的。与大多数具有大带隙的内在铁电材料相比，显示出其独特的性质。这些新颖和独特的特性使得BP-Bi成为极具研究价值的铁电材料。 研究内容 近日，湖北民族大学李强副教授、北京大学吕劲教授及方世博博士等，基于单元素二维铁电材料 BP-Bi 设计了一种光电探测器，利用 QuantumATK 进行了第一性原理计算。该材料的光电探测的光电流具有明显的各向异性（Armchair 方向的最大光电流能达 133 mA/W，而 Zigzag 方向的最大光电流仅为 4.7 mA/W）。 图1 （a）单层 BP-Bi 沿 armchair 方向的原子结构 （b）单层 BP-Bi 光电探测器沿 armchair 和 zigzag 方向光电响应随能量变化曲线 （c）单层 BP-Bi 光电探测器与其他单层材料的 p-n 结的最大光电响应对比图 结论 本研究展示了基于单元素二维铁电材料 BP-Bi 的光电探测器的设计与性能评估，强调了其在光电能量转换领域的重要性。通过第一性原理计算，我们发现 BP-Bi 的光电流效应具有显著的各向异性，尤其在Armchair 方向展现出高达 133 mA/W 的光电流，这表明其在光电探测应用中的巨大潜力。这一成果不仅为光电流探测器的开发提供了新思路，也为铁电材料在纳米光电设备中的应用奠定了基础。BP-Bi 的低带隙特性和优异的光电性能，使其成为未来光电探测器研究的有前景材料，预示着在光电能量转换领域可能的技术突破与应用前景。 参考文献 Photodetector Based on Elemental Ferroelectric Black Phosphorus-like […]

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）