QuantumATK:在原子水平上模拟电子器件

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概述 微电子学是当今对我们的日常生活有着重要影响的技术,尤其是在通讯、计算、消费电子、健康、运输、环境和安全领域。微电子学的持续发展离不开TCAD等模拟工具,TCAD在纳米尺度的电子器件领域的广泛应用节约了大量的开发成本和实现市场化的时间。 随着半导体器件特征尺度的小到纳米级别,对相关材料与器件进行基于量子力学的原子级别模拟显得越来越重要。这为传统的基于量子力学的材料模拟方法提出了很多的挑战,QuantumATK从建模工具、计算方法、分析工具等完整的模拟平台入手,致力于解决这些问题,为半导体器件的模拟提供有效、可靠、快捷的工具,特别双极器件模型的引入可以直接研究诸如pn结等复杂异质结构的各种性质。 半导体材料性质的模拟     掺杂模型 QuantumATK中可以使用补偿电荷法对指定区域进行指定浓度的掺杂,更好的模拟半导体材料中的低浓度掺杂,可以更方便的研究不同复杂异质结。 对器件进行模拟 直接模拟器件无疑是半导体材料的模拟非常吸引人的方向。QuantumATK中成熟的双电极器件模型(Two-probe device model)和非平衡态格林函数方法(Non-Equilibrium Green’s Fucntion, NEGF)是研究器件在偏压下的电子输运性质的有力工具。 在双电极器件模型的基础上,QuantumATK还可以使用高级的静电势模型,在器件区域增加具有指定介电常数的绝缘区域和具有特定电压的金属区域,用于模拟FET器件。 可研究的体系尺度 传统的原子级别的DFT计算通常只能模拟数百原子的体系,这离目前实验上能达到的器件加工能达到的最小尺度尚有一段距离。QuantumATK中的DFT方法具有更高的计算速度和效率,可以研究数千原子级别的体系;同时SE方法使用DFTB等参数化的哈密顿量方法,可以更快更好的计算万原子级别的体系,这使得模拟接近实验中的几十纳米尺度的体系成为可能。 目前文章中报道的使用 QuantumATK 研究的最大器件体系约有2400个原子(2015年);右图显示用 ATK-SemiEmpirical 研究受限的InAs器件结构(含5200个原子)。结构中还包含中央区域的 20nm 长的栅极,并进行了掺杂。 能带对齐(band alignment) QuantumATK支持直接对界面等复杂体系进行局域投影态密度的计算,可以十分方便的作出不同区域的能带对齐情况,研究指定位置的态密度。由于在QuantumATK中可以使用器件模型直接对真正的界面结构进行计算,因此可以避免普通块体材料计算的Slab模型带来的种种问题。 发表的文章实例 基于DFT+NEGF方法研究金属-半导体界面 预印文章:General atomistic approach for modeling metal-semiconductor interfaces using density functional theory and non-equilibrium Green’s function http://arxiv.org/abs/1601.04651) 更多发表的文章参见【文章列表】。 相关的实例教程 硅p-n结 使用补偿电荷的方法对半导体材料的不同区域进行p型或n型掺杂 使用DFT或SE理论方法进行伏安特性计算 使用Projected Local DOS方法计算pn结的能带情况(右图) 计算非零偏压下的电子态和输运性质 […]

QuantumATK:材料表面的建模和模拟

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概述 材料的表面态、表面化学等在拓扑绝缘体、催化等热门领域里都占据着决定性的位置。与其他的周期性模型程序类似,QuantumATK 也可以用传统的 Slab 模型来描述表面体系,但Slab模型有很大的缺陷和局限: Slab 最大的不足是无法模拟实际表面下方通常是无限大的块体材料; 由于厚度有限,Slab 中的电子容易体现出量子限制的效应; 两个表面之间、表面与界面之间存在相互影响; 很难正确的在表面方向模拟外加电场; 经常需要表面钝化、偶极校正等额外补救措施。 单电极表面(One-probe surface)模型(或半无限表面模型) 为此,QuantumATK 基于 DFT 和格林函数方法方法开发了真正可以模拟半无限表面体系的模型,即将一个表面 Slab 模型耦合于半无限的块体结构上(见下图)。 详细介绍参见:QuantumATK独有的新功能:非平衡态格林函数方法研究半无限表面模型。 使用QuantumATK研究表面体系的优势 通用、高效的计算引擎 QuantumATK 计算基于第一性原理,因此可以用于研究全新材料的各种性质,例如: 传统金属-半导体界面 高k介电材料 金属、半导体纳米线 纳米管、金属纳米管接触 原子簇 等等 QuantumATK 中使用局域基组展开方法,尤其适用于研究局域化缺陷(杂质、空位等),ATK-DFT计算引擎可以计算千原子级别的体系的性质。ATK-SemiEmpirical 则可以计算更大的体系。 NanoLab高级图形用户界面:专注于研究,更快获得结果 NanoLab 图形用户界面丰富易用的功能可以让用户专注于研究项目的科学问题,专心思考科学问题,更快的发现新材料、创建新结构,避免在数据的导入、导出、处理、作图等琐碎的问题上浪费时间。NanoLab 可以: 方便快捷的材料表面建模工具 强大的材料界面结构建模工具 最合理的界面结构优化方法 快速构建各种结构模型 内嵌晶体结构数据库 搜索在线晶体结构数据 亮点文章 路易斯酸碱化学实现二维金属硫化物的表面功能化(Nature Nanotechnology, 2016)(原文链接:doi:10.1038/nnano.2015.323) 非平衡态格林函数方法研究半无限表面模型(https://arxiv.org/abs/1707.02141) 拓扑绝缘体的表面态 二维材料的边缘态   实例教程 表面结构与吸附 表面分子吸附体系建模:中文教程、英文教程 […]

单层过渡金属二硫化物边缘时间反演对称性的自发破缺

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利用密度泛函理论(DFT)和格林函数方法,文章报道了三种单层过渡金属二硫族物(TMDs)MoS2、MoTe2和WTe2 的 1T’ 相的不同边缘上存在具有非共线自旋形态的磁性边缘态。磁性态是零带隙的,伴随着时间反演对称性的自发破缺。这可能会对使用WTe2作为量子自旋霍尔绝缘体的前景产生影响。此前有报道通过应用垂直电场可以关闭1T’ TMDS的拓扑保护边缘状态【X.Qian,J.Liu,L.Fu,J.Li,Science 3461344(2014)】。本文通过完全自洽的DFT计算,证实了拓扑边态确实可以被关闭,但所研究的磁性边缘状态是强壮的,并在外加电场时保持零带隙。 模型 文章所使用的二维材料边缘模型是半无限周期的单边缘模型(只有一个边缘),因此克服了条带模型中宽度受限、两个边缘的缺点。x方向左侧的周期边界条件(PBC)、Dirichlet 边界条件(DBC)确保了周期体系和边缘部分的正确连接,x方向右侧的Neumann边界条件(NBC)则是真空静电势的最自然边界条件。z方向的DBC除了确保了模型更符合真实情况(无需周期性)之外,还允许在真空方向上增加栅极(Gate)来调控边缘态。 使用最新的QuantumATK P-2019.03 可以十分方便的计算这类Surface模型的能带结构,以研究三维周期体系的表面态或者二维周期体系的边缘态。 从下图可以看出,这种模型与纳米条带模型相比,周围电场的情况有明显的不同。 MoS2的能带和三种不同的边缘 三种不同边缘的能带 电场的影响 参考 Jelver, L., Stradi, D., Olsen, T., Stokbro, K. & Jacobsen, K. W. Spontaneous breaking of time-reversal symmetry at the edges of 1T’ monolayer transition metal dichalcogenides. Phys. Rev. B 99, 155420 (2019).(doi:10.1103/PhysRevB.99.155420;http://arxiv.org/abs/1812.09082) QuantumATK在材料表面与界面的计算中有独特的模型和方法:http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/materials-interface/ DFT-NEGF材料表面计算模型、方法与应用:http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/surface-negf-model/ QuantumATK P-2019.03新版发布:http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/release-p-2019-03/ 立即试用 QuantumATK! […]

QuantumATK亮点文章:Janus 二维材料用于高效光电池器件(Nano Lett. 2018)

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之前的文章(链接)介绍了在原子尺度上模拟光电池器件时考虑温度效应的方法[1],最近这种方法又被用于一种新的堆叠 Janus 光电池器件[2]。基于最新发现的二维材料MoSSe的超薄(0.5-1nm)器件可以产生的光电流和外量子效率(EQE)比 20-40 倍厚的硅基器件还要大。 这类 Janus 过渡金属二硫族化合物(TMD)是一种双侧不对称材料,跨平面的不对称性在二维材料平面的两侧产生了一个偶极,这个偶极可以多层堆叠。这样得到的“p–n结”可以用于分离在底层和顶层产生的电子(e-)和空穴(h+)载流子,载流子分别进入两侧的石墨烯电极中产生光电流。至关重要的是,石墨烯不会像金属电极一样屏蔽这种跨层的偶极。 使用 QuantumATK 的图形界面可以基于 TMD 创建堆叠Janus光电池器件。QuantumATK的第一原理DFT和DFT-NEGF 方法、光电流计算模块等可以用于计算能带、态密度、电子透射、输运通道、光电流密度等各种重要性质。文章报道的 Janus 光电池器件可以产生的光电流和外量子效率(EQE)比 20-40 倍厚的硅基器件还要大。此外作者还注意到,由于偶极的堆叠影响,器件在光子能量小于单层 Janus MoSSe 的带隙时也能产生光电流。作者建议也许可以使用 MoSSe Janus 层与硅薄膜结合来提高硅对低能量光子的吸收效果。作者还建议可以在光电应用领域里研究其他 Janus 二维材料(例如 CrSSe、ZrSSe 等)。 相关教程和讲座 文章中所用方法都在QuantumATK O-2018.06之后的版本实现,详见: Webinar on accurate atomistic simulations of solar-cell devices including temperature effects Tutorial on the photocurrent in a silicon p-n junction Tutorial on electron transport […]

QuantumATK亮点文章:理论计算与实验观测结合研究分子器件

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单分子器件一直是量子输运研究的前沿,如何可控的制备和测量单分子的导电性一直是实验上的巨大挑战,而基于DFT-NEGF方法的理论计算则为实验结果的解释、理解分子器件构效关系提供了有力的工具。2018年,北京大学的郭雪峰老师课题组发表的两篇文章分别报道了在不同的外加影响(电场、溶剂、温度)下分子结构变化和多个导电状态的关系。 这两项工作中的理论计算部分由中国科技大学李星星博士使用QuantumATK完成,以共同第一作者身份发表在《自然·通讯》杂志和《德国应用化学》杂志上。 《自然·通讯》[Nat. Commun. 9, 807 (2018)] 报道了基于实验研究不同溶剂、温度下的脲基嘧啶酮四重氢键二聚体的的电学多态信号, 运用理论计算揭示导致电导发生变化的本质原因是由电致氢迁移和内酰胺–内酰亚胺互变异构引起的异构化过程。相关新闻报道见北大官网:《自然•通讯》发表郭雪峰课题组在分子间作用力动力学研究中的重要进展)。 《德国应用化学》[Angew. Chem. Int. Ed. 57, 14026 (2018)] 报道了基于实验观测三苯基和六苯基单分子结在栅压下的双极电荷传输,运用理论计算揭示双极电荷传输特性是由于当栅极电压从负变为正时主导电子传输轨道从HOMO变为LUMO所致。新闻报道见北大官网:化学学院郭雪峰课题组在单分子场效应晶体管研究中取得重要进展)。 相关教程 所有文中所涉及的计算方法均在QuantumATK中提供,详见以下教程: 相关的中文教程列表 分子器件模拟 英文教程 Four tutorials on molecular electronics Tutorial on studying the electron transport properties of a graphene nanoribbon with a distortion 参考文献 Nat. Commun. 9, 807 (2018) Angew. Chem. Int. Ed. 57, 14026 (2018) 立即试用 […]

免费在线讲座:太阳能电池的精确模拟以及光电性能的温度效应

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2018年11月7日,Synopsys QuantumATK团队将举办免费在线讲座,介绍如何使用QuantumATK的最新功能Photocurrent模块在原子水平上精确模拟太阳能电池的光电流和开路电压。 温度效应是影响开路电压和光电流的重要因素,在光电流计算中要考虑温度效应必须将电声耦合考虑在内。 注册链接 点击这里注册。 主讲人 Mattias Palsgaard, PhD, QuantumATK 中光电流计算模块的开发者 Ulrik Vej-Hansen, PhD,Synopsys QuantumATK团队的应用工程师 时间 2018年11月7日,下午4:00 (注册时有两场时间可选,内容相同,可任选一场) 时长 30分钟(含答疑时间) 内容 本次讲座将介绍如何使用QuantumATK模拟太阳能电池: 如何设置光电流计算以及如何使用NanoLab图形界面分析结果。 使用新的工具配合QuantumATK中的其他方法理解器件在光照下的特性。 如何使用新工具搜索太阳能电池和发光二极管(LED)可用的新材料。 欢迎在讲座后的答疑时间提问。 参考 教程:https://docs.quantumwise.com/tutorials/photocurrent/photocurrent.html 论文:https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.10.014026 注册链接 点击这里注册。  

QuantumATK亮点文章:研究一种极端的分子电子绝缘体

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最近 Nature[1]上发表了一项研究,提出了一种新型的分子结,这种分子结比同样尺度的真空区域更加“绝缘”。这个效应是通过设计分子实现量子相消干涉实现的,这些分子在某些能量范围里强烈的抑制电子在分子中的透射。 输运性质的计算是由哥本哈根大学的Gemma Solomon组使用QuantumATK完成的。 合成与电导的实验测量是由上海师范大学的肖胜雄、哥伦比亚大学的Colin Nukolls和Latha Venkataraman等研究组合作完成的。这类分子可能用在热电或其他电子器件中作为绝缘体。 图1. 电子透过单分子结隧穿时的波函数衰减示意图。(a)透过低导电性分子(烷链)时;(b)透过空结(即电极间是真空);(c)透过一个分子发生量子相消干涉的情况,隧穿概率非指数衰减。     参考资料 所有文中所涉及的计算方法均在QuantumATK中提供,详见以下教程: 相关的中文教程列表 英文教程 Four tutorials on molecular electronics Tutorial on studying the electron transport properties of a graphene nanoribbon with a distortion 参考文献 [1] M. H. Garner, H. Li, Y. Chen, T. A. Su, Z. Shangguan, D. W. Paley, T. Liu, F. Ng, H. […]

QuantumATK在半导体和微电子工业研究中的应用

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英特尔:铜纳米线的电子输运特性 文章(PHYSICAL REVIEW B 92, 115413 (2015))使用密度泛函理论以及密度泛函紧束缚近似模型,对直径约 1 nm 和 3 nm 的铜纳米线的不同晶向和表面端基原子的电子输运性质进行了研究。发现无论何种直径、晶向、端基原子均不影响其金属性。电子透射强烈的依赖于晶向和端基原子,沿 [110] 方向的铜纳米线透射最强。与无端面的纳米线相比,表面氧化纳米线的电子透射显著降低。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_001/ 美光:绝缘体中的金属杂质的影响与阻变存储器 文章(JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 117, 054504 (2015))对铜掺杂SiO2和Al2O3在热力学、动力学和电子性质方面进行了原子尺度的模拟研究,得到不同浓度(9.91×1020 cm-3和3.41×1022 cm-3)的铜掺杂下的定量结果。金属-绝缘体界面导致体系的形成能与块体相比降低大约4eV。另外,本文还介绍了Cu-Cu相互作用对降低化学势的重要性。这些概念的讨论是在关于阻变存储器(RRAM-M)局域传导路径的形成及其稳定性的背景下展开的。电子态密度以及通过这些局域路径的非平衡透射研究确认了透射增大了三个数量级。本文通过原子尺度的漂移-扩散计算,研究了这些传导路径的动力学行为。本文最后对RRAM-M的原胞进行了分子动力学模拟,试图将上述所有现象用统一的自洽的模型结合起来。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_002/ 松下:金属-有机体系的载流子注入 文章(Surface Science 600 (2006) 5080–5083)研究了单个π共轭分子吸附或夹在两个电极上的电流特性,尤其是载流子通过有机/金属界面的注入。首次使用第一性原理方法研究了分子的取向和电极材料对电流对影响:过去的电流计算都是假设分子与电极之间通过共价键连接。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_003/ 三星:金属-半导体界面接触电阻 文章(APPLIED PHYSICS LETTERS 105, 053511 (2014))使用密度泛函理论和密度泛函紧束缚近似研究了n-Si在[100]方向电阻率下限的理想金属电子结构效应。结果表明,在高掺杂浓度时,“理想金属”假设在某些情况下会失效,因此对n-Si的接触电阻下限至少低估了一个数量级。金属和半导体在横向动量空间的失配,也就是所谓的“谷过滤效应”,对使用的原胞的横向边界情况的细节非常敏感。因此在金属-半导体接触面的电子输运的原子尺度模拟,需要明确所包含的金属原子和电子结构。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_004/ 格罗方德:肖特基势垒的调制 文章使用密度泛函理论研究了肖特基势垒高度(Schottky Barrier Height)对界面形态的依赖,以及如何通过在 NiSi2/Si界面替位掺杂进行调制。使用 meta-GGA 交换相关泛函预测出相当精确的Si带隙。本文的研究表明,(n型半导体的)电子肖特基势垒高度在(001)方向显著低于(111)方向。这些结果定性上与界面形态依赖的肖特基势垒高度的实验结果一致。肖特基势垒高度能够通过 NiSi2/Si 界面替代掺杂显著降低,本文讨论了 Si 掺杂位点、杂质类型以及晶向对优化肖特基势垒高度的影响。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_005/ IBM:纳米线作为下一代晶体管互连技术的可能性 […]

QuantumATK独有的新功能:考虑电声耦合效应的用于更有效和准确的模拟真实的整流器和晶体管新方法

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Synopsys QuantumWise公司与丹麦科技大学的研究组开发了一种处理电声耦合(EPC)效应的用低成本进行大尺度计算的方法,称为“特殊热位移(STD)-Landauer方法”[1]。EPC效应(例如声子辅助隧穿)在大尺度电子器件性能中起到核心作用,并且无论从实验和模拟角度考虑都是这一领域的主要挑战之一。STD-Landauer方法概念非常简单(见下文图片)并且在第一性原理方法模拟真实的整流器和晶体管方面比任何已有的考虑EPC效应的第一性原理输运方法都更高效。 概念   与实验结果比较 在文献[1]中,考虑了EPC效应后计算得到的二维硅n-i-n双栅场效应管和硅p-n结的伏安特性(I-V)曲线计算中和硅纳米线和块体的载流子迁移率,都与实验结果和最先进微扰理论计算结果高度吻合。因此,STD-Landauer方法将成为对下一代器件和纳米材料进行原子尺度设计的有力工具。   相关资源 案例研究:请参考根据文献[1]准备的案例研究学习如何使用STD-Landauer方法计算硅p-n节器件伏安特性曲线和投影局域态密度(PLDOS)。您可以使用VNL用户界面进行二维硅n-i-n双栅场效应管,硅p-n结和硅纳米线以及块体的建模。STD-Landauer方法和另外一种考虑电声耦合效应的计算方法MD-Landauer [3] 已经由Synopsys QuantumWise公司在International Workshop on Computational Nanotechnology研讨会上发布(幻灯片下载)   参考文献 [1] T. Gunst, T. Markussen, M. L. N. Palsgaard, K. Stokbro and M. Brandbyge, “First principles electron transport with phonon coupling: Large scale at low cost”, Phys. Rev. B 96, 161404 (R) (2017). arXiv, pages 1706.09290, 2017. URL: arXiv:1706.09290. […]