磁性存储材料研发中磁各向异性能(MAE)模拟

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概述 作为欧盟 COSMICS 研究项目的一部分,QuantumATK 团队与来自 SPEC CEA、巴黎萨克雷大学的科学家共同发表了一篇关于Fe、Co 和 Ni 片层的磁晶各向异性能(MAE)模拟的论文[1]。这项工作表明,利用 QuantumATK 进行模拟可以有效的研究控制MAE 的参数,例如这些材料(如块体,片层,表面或界面)的厚度和晶向。由于 MAE 的可调性通常是磁性材料的一种理想功能,因此建模是研究工作流程中设计具有最佳磁性特性的材料的重要组成部分。例如,诸如磁性随机存取存储器(MRAM)的新型存储器体系结构依赖于具有优化的 MAE 属性的材料来存储和保留信息。较大的 MAE 在给定的磁性状态下提供了良好的保持特性,即在一定时间内存储了磁化方向,而在二进制写入过程中,需要较低的 MAE 来随意切换磁化方向。 使用 QuantumATK 模拟 MAE 的优势 QuantumATK 是唯一包含基于赝势的密度泛函理论(DFT)方法、LCAO 和平面波基组的程序。这使得计算过程中可以从LCAO 无缝转换到平面波基组,从而轻松在 MAE 模拟过程中在速度和精度之间寻找最佳平衡,使用 LCAO 基组可以进行更大体系的模拟。 MAE(即不同磁化方向的能量差)在数值上是很小的。为了提供准确的结果,QuantumATK 有很好的参数默认值(例如 k点采样和每个电子的能带),当然也可以轻松调整这些参数。 此外,QuantumATK 提供了有效的数值方法,将 MAE 分解为异质体系(例如表面、界面或任何类型的缺陷)中局域贡献的加和。 QuantumATK 提供了用于设置和分析结果的高级图形用户界面(GUI),如图 2 和图 3 所示。高级的重新启动功能使用户可以更高效地执行 MAE 模拟,因为它可以重新运行 MAE 模拟,轻松包含新的磁化方向和投影,而无需重新计算任何已经得到的中间数据。 参考 L. Le Laurent, […]

单分子反应的电场诱导选择性催化(Sci. Adv. 2019)

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引言 随着单分子电学检测技术的迅速发展,分子电子学的研究已不再局限于分子电子学器件的构筑及其电学性质的测量,而是扩展到单分子尺度化学反应过程的探索。单分子裂结技术能够直接观察单个分子的始态、终态和中间态,采用此技术并通过施加定向外部电场,有望实现对单个分子乃至单个化学反应的操纵和调控,从而在纳米尺度的反应器中实现对单个分子化学反应速率的选择性调控,为未来基于清洁能源的绿色化学合成提供了新思路。近日,厦门大学洪文晶教授、程俊教授和兰州大学张浩力教授在电场选择性调控特定化学键的反应速率研究方面取得重要突破。相关研究成果以“Electric-field-induced selective catalysis of single-molecule reaction”为题发表于Science Advances。 成果简介 针对这一挑战,该研究团队自主研发了高强度定向电场下研究化学反应速率的精密科学仪器技术,将单个有机分子定向地连接在两个原子级尺寸的电极之间,从而解决了化学反应中分子取向控制的问题。通过电极对单个分子施加了高达108-9 V/m的定向电场和对反应的分子计数,精确测量了两步连续反应中每步的反应速率。在纳米尺度反应器内中发现:若施加电场与反应轴垂直,电场对化学反应没有影响;如果电场在反应轴方向有分量,电场可以使反应速率提升超过一个数量级。通过单分子器件电输运模拟证实了化学反应路径的中间态;过渡态计算结果表明定向电场可以有效地稳定化学反应的过渡态,从而降低反应能垒。 这一跨学科合作,在国际上首创了利用定向外部电场选择性调控化学反应速率的仪器和技术,实现外加电场对化学反应的有效调控,提出了将外加电场作为智能催化剂创新思路,对基于清洁能源的绿色化学合成和化工清洁生产的发展具有重要意义。 参考文献 X. Huang, C. Tang, J. Li, L. C. Chen, J. Zheng, P. Zhang, J. Le, R. Li, X. Li, J. Liu, Y. Yang, J. Shi, Z. Chen, M. Bai, H. L. Zhang, H. Xia, J. Cheng, Z. Q. Tian and W. Hong. […]

具有多通道电输运性能的空间共轭单分子并联电路 (Angew. Chem. Int. Ed. 2020)

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引言 目前,传统硅基芯片的性能已经逐渐接近其理论极限,为了适应科技的飞速发展,芯片革命已经势在必行。有机分子具有尺寸小、结构多样以及可通过辐射减少发热等特性,有极大的希望被应用于制备集成度更高、性能更强、散热更好的新一代微型芯片。对于有机分子器件而言,实现高效且可控的分子电导是一个巨大的挑战。理论上,电极之间分子的导电通路越多,就越容易实现高的电导,但是迄今为止,多通道的分子器件仍鲜有报道。近日,华南理工大学唐本忠院士团队赵祖金教授等开发了一种新型的单分子并联电路,利用价键共轭导电通道和空间共轭导电通道之间的协同作用,实现了优异的单分子电输运性能,为开发新一代多功能可控型分子器件提供了新的思路。 成果简介 研究人员成功制备了基于两条四联苯共轭链构建的折叠型分子 f-4Ph-4SMe,两条链末端共修饰有 4 个甲硫基,中间有一个双键对两条链进行连接和固定。晶体结构显示该分子具有规整的折叠构型,两条四联苯链近似平行地紧密排列,链间距约为 3.30 Å,因此两条链之间存在着较强的相互作用。4 个甲硫基可以与 2 个金电极相连接形成单分子结,类似于一个并联电路。溶液态的扫描隧道显微镜裂结(STM-BJ)测试结果显示 f-4Ph-4SMe 中存在着多种差异显著的电导态,该结果与单分子层状态下的测试结果相一致。结合理论计算,研究人员发现实验中测得的不同电导态是由于折叠分子与金电极之间形成的不同连接方式所导致的。当4个甲硫基全部与电极连接时,分子表现出最大的电导(10-4.4 G0);当 3 个甲硫基与电极相连时,分子电导次之(10-4.69 G0);当同一四联苯链上的2个甲硫基(如图中的 A1A2)与电极连接时,分子电导更小(10-4.94 G0);当不同链上处于对角线位置的 2 个甲硫基与电极相连时,电导最小(小于检测限 10-6.0 G0)。该研究结果也与另外两个仅具有 2 个甲硫基的对比分子的电导性能相一致。 为了进一步研究 f-4Ph-4SMe 的最高电导态,研究人员结合密度泛函理论(DFT)研究了分子的电子结构。同时,结合非平衡态格林函数(NEGF)方法,研究者们计算了分子在电极之间的透射谱以及电子在电极之间传输时的透射路径。结果显示,由于 f-4Ph-4SMe 的两条四联苯链之间具有很强的空间共轭作用,前线轨道的电子云相互交叠,产生了通过空间而不经过化学键的导电通道,使得该折叠分子不仅具有沿着四联苯骨架的价键共轭导电通道,而且在两条四联苯之间形成了空间共轭导电通道。当上下两条四联苯链同时与金电极连接并导通时,价键共轭和空间共轭通道协同作用,产生了1+1>2 的效果,从而使 f-4Ph-4SMe 分子具有优异的导电性能。当与电极连接的甲硫基减少时,所形成的导电通道也随之减少,分子导电性能也随之下降。 该研究为人们理解电子在π-π 堆叠的分子体系中的传输机制提供了一个理想的模型。研究也表明,具有多锚定基团的分子导线与电极的不同链接方式将导致不同的导电性能,为实现单分子电导的可控性提供了思路。文中所提出的新型单分子并联电路对于开发性能可调的单分子器件具有重要的借鉴意义。 参考文献 Shen, M. Huang, J. Qian, J. Li, S. Ding, X. -S. Zhou, B. Xu, Z. Zhao, B. Z. Tang. Achieving efficient multichannel conductance in […]

聚合物体系的模拟方法与应用

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概述 聚合物材料建模与聚合物工程的热-力学和其他性质的模拟,与无机材料、有机小分子材料有很大的不同,一方面,聚合物分子巨大的分子量和链内巨大的自由度给原子级的建模和计算带来很大的困难;另一方面,聚合物体系有许多独特的热-力学特性,例如玻璃化转变、粘弹性和动态模量等等;聚合物链段与其他链段、小分子、表面、纳米粒子的相互作用也与其他有机物体系区别很大。 QuantumATK 提供了友好的工具支持构建各种聚合物模型,例如热塑性高分子,线性的均聚物、共聚物,聚合物熔体、嵌入小分子的聚合物、与纳米粒子、表面结合模型,等等。构建的聚合物模型可以直接使用软件提供的多种方法(基于Dreiding、OPLS-AA力场)进一步的平衡化,包括使用 force-capped-equilibration 作为初始平衡化方法、single-chain mean field(SCMF)方法、21步聚合物平衡化自动化流程工具,等等。平衡化后的聚合物可以用多种工具进行性质模拟,例如 NVE、NVT、NPT 系综的分子动力学(MD),用来模拟长时域动力学的 time-stamped force-bias Monte Carlo 方法,以及用于模拟热传导的非平衡态动量交换方法。 常用工具 自动化无定形聚合物模型建模工具 支持图形用户界面(GUI)和 Python 脚本的自动化工具 丰富的模拟方法 自动力场生成,支持 DREIDING OPLS-AA 电荷平衡化可以使用 Qeq 和 ReaxFF 电荷平衡化方法 参考链接: 聚合物建模教程 聚合物模拟相关的工具 应用 EUV光阻剂 热-力学性能 玻璃化转变,弹性,动态模量,粘度 热传导 聚合物相容性 研究聚合物在高形变、高剪切速率,高加热/冷却速率下的性能 模拟特定化学组分的聚合物体系 聚合物链段之间相互作用、聚合物链段与其他分子的相互作用 包裹在纳米粒子、表面周围的聚合物熔体 聚合物模拟的流程 蒙特卡洛方法聚合物链建模工具,Force-capped-equilibration,SCMF equilibration,聚合物体系热传导等都是与聚合物有关的新增方法。 可以模拟的聚合物体系 热塑性塑料 线性均聚物和共聚物 聚合物单链和熔体 控制立构规整度、单体比例和端基 与单分子、纳米粒子,表面复合模型 用户自定义单体结构 生成的模型可以立即用于进一步的平衡化和模拟 聚合物平衡化自动化流程工具 按照交替使用 […]

用QuantumATK研究新型非易失性类RAM中的电阻开关

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电阻RAM(ReRAM)是一种用于数据存储的新型非易失性存储器(NVM),与flash相比具有更低的编程电压和更快的读写速度[1]。ReRAM器件中的电阻开关,如OxRAM/CBRAM,取决于氧/金属离子在非晶态过渡金属氧化物如Ta2O5、HfO2和其它材料中的迁移,以形成原子粗细的导电细丝(低电阻状态、LRS或ON),或使其断裂(高电阻状态、HRS或OFF),如图1所示。 ReRAM单元设计中的一个关键挑战是电阻开关参数的可变性[1]。QuantumATK新一代材料与器件模拟平台提供了电阻开关的原子级别的理解方法,该方法支持为可靠的ReRAM器件筛选可用的材料。在本综述中,我们将重点介绍在QuantumATK平台[2]中研究类ReRAM系统中电阻开关的方法和工具: 氧/金属离子在非晶态材料中扩散的分子动力学模拟。 密度泛函理论(DFT)结合非平衡格林函数(NEGF)方法研究了LRS和HRS态的电子输运。 DFT模拟了氧空位和金属杂质形成细丝和外部金属掺杂的形成能和陷阱能级。 本综述基于六篇QuantumATK的论文,分别由 Western Digital, Micron, RWTH Aachen University (Prof. Rainer Waser), National Cheng Kung University (Po-An Chen), and University of Notre Dame (Prof. Suman Datta)发表。 要了解更多新一代材料与器件模拟平台的概况和使用方法,敬请关注《材料学计算模拟系列课程:QuantumATK材料与器件模拟平台使用入门(11月23-24日,西安)》 非晶态材料扩散的分子动力学模拟 由于OxRAM /CBRAM器件中的电阻开关依赖于非晶态过渡金属氧化物中氧/金属离子的迁移(图1),更好的理解离子在这些非晶材料中的扩散对于优化未来的ReRAM器件来说至关重要。QuantumATK提供了使用熔融-淬火经典分子动力学(MD)方法[3-5]来生成非晶态材料和在这些材料中进行离子扩散的后续研究方法[3,5]。根据Western Digital的说法,预测晶体材料中的扩散势垒是很简单的,通常使用Nudged Elastic Band(NEB)方法来完成。然而,在没有明确晶格位置的无序非晶材料中,已经不可能识别出穿过材料的特定低能量路径,因此需要采用其他分析方法来处理复杂的能量面形貌。Western Digital 的研究[3]采用MD模拟技术来监测非晶态Ta2O5中不同温度下单个原子的运动。根据10 ns长的MD模拟,在不同温度下测定了原子的均方位移随时间的演化,以评估离子自扩散的扩散系数和活化能,如图2和图3所示。精确计算得到的扩散系数和活化势垒是描述导电细丝形成和界面电子结构的解析和数值模型的关键输入信息。 Notre Dame University的研究[5]使用MD模拟来研究电场作用下CBRAM的演化。例如,图4说明了当电场作用于Co/HfO2/Pt器件时,Co细丝如何在HfO2电介质上形成导电桥,从而形成LRS/ON状态。量子力学中密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法的结合可以用来研究LRS和HRS态的电子输运。 用DFT-NEGF模拟电子输运 为了补充CBRAM演化与电场的MD研究,Notre Dame University的研究人员进行了DFT-NEGF模拟,以计算不同电场(偏压)值下的输运[5]。例如,图5所示的输运计算确认在电场接通时形成了导电桥。 同时,Micron在QuantumATK中使用DFT-NEGF方法研究了(CBRAM器件中存在的)金属单原子桥的长度、形貌和组成对电子输运和电导的影响[6]。这项研究表明,计算的电导随着长度的增加有一个较小的非单调变化,输运强烈地依赖于触点的形态(扁平或棱锥状,不对称)以及金属的类型,如图6所示。 有趣的是,National Cheng Kung University 的研究人员研究了MoS2 2D 材料作为非挥发性电阻开关应用的活性层[7]。DFT模拟表明Au+倾向于向硫空位移动,并可能形成导电桥。作者认为,费米能级附近态密度(DOS)的增加,如图7所示,随着金对硫取代率的增大,导致MoS2基的原子晶体管从HRS态向LRS态转变。 QuantumATK中的DFT-NEGF方法也用于研究另一个ReRAM操作机制,其依赖于图8所示的Nb:SrTiO3/SrTiO3/Pt型电阻开关系统中靠近电极界面的氧离子的集体运动。氧离子在电极界面附近的集体运动调制了界面肖特基势垒,由此产生了电阻的变化。通过研究不同电压下计算的LDOS以及在不同温度和偏压下获得的电流-电压(I-V)特性,作者认为有三种不同的传导范围,如图9所示。研究表明:1)在SrTiO3基电阻开关器件中,通过肖特基势垒进入电阻开关层导带的直接隧穿过程控制着器件的电导;2)在超薄(~2.8nm)器件中,从电极到电极的直接隧穿过程也很重要。因为它会影响电阻开关器件的高电阻状态的下限。     缺陷和掺杂模拟 OxRAM/CBRAM器件中的电阻开关是由非晶态过渡金属氧化物中氧空位缺陷/金属离子杂质的迁移控制的。Micron计算了非晶Hf0.75Si0.25O1.99中氧空位和非晶Al2O3中Cu杂质在不同电荷态带隙中陷阱能级,并建议根据对缺陷诱导禁带态的分布、相应的波函数和缺陷的空间分布的微观表征来定义电阻态。[6]。 同时,Western Digital 研究了如何使用掺杂剂来调整和改善氧化物用于ReRAM应用的电子特性〔4〕。研究了不同金属掺杂对晶体和非晶Ta2O5中氧空位形成的影响[4]。如图10所示,研究表明,p型掺杂剂(Al、Hf、Zr和Ti)可以降低形成能,从而降低形成/置位电压,并改善基于Ta2O5的ReRAM的保持性能。 QuantumATK有一个高效且用户友好的框架,用于研究宿主材料中掺杂/缺陷的特性,计算中性和带电缺陷以及各种类型缺陷(空位、替换、间隙、成对和较大团簇)的松弛缺陷/掺杂结构、形成能和陷阱能级。(要使用此功能请咨询我们) […]

二维界面原子尺度电接触质量的建模(NanoLett 2019; Small 2019)

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引言 对于传输电信号或能量的界面来说,为了实现高效和稳定的传输,调控接触电阻一直是一个关键的问题。从宏观的多粗糙峰接触到原子尺度的弹道输运接触,接触电阻已经被证明了和“接触数量”,即真实接触面积有着密切的联系。另一方面,在很多情况下,例如对于二维电子器件中广泛存在的二维材料/金属界面或者二维材料/二维材料界面,接触电阻也与“接触质量”密切相关。经典Landauer公式或Richardson公式揭示了接触质量与界面的电子透射概率或界面势垒的性质的关系。然而目前仍然缺乏一个能够将接触质量与界面原子堆垛结构直接联系起来的实空间模型。 成果简介 清华大学研究人员与合作者采用导电原子力显微镜(c-AFM),密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)相结合的方法,研究了石墨烯/Ru界面的原子尺度电输运机理。在此基础之上,他们提出了描述二维界面的接触质量与原子堆垛结构之间的关系的理论模型(ACQ模型)。这个模型可以用来描述接触电阻的原子尺度空间调制现象以及双层石墨烯层间电阻的转角依赖性。该研究以“Modeling Atomic-Scale Electrical Contact Quality Across Two Dimensional Interfaces”为题,发表于Nano Letters. 研究人员利用ACQ模型,进一步探究了扭转双层石墨烯层间电导的空间调制,模型的计算结果与实验现象吻合。后续工作以“Understanding Interlayer Contact Conductance in Twisted Bilayer Graphene”为题,发表于Small。 利用原子分辨率的c-AFM测量石墨烯/Ru界面的局域电导 研究者们测量了Pt针尖/石墨烯/Ru基底组成的体系的电导在AFM针尖扫描范围内的空间分布(图(a))。观察到了局域电导的摩尔纹级别(图(b))和原子级别 (图(c))的空间调制。这种调制现象与先前研究中利用STM观察到的调制现象存在着非常显著的差异,难以直接通过石墨烯表面的LDOS分布来解释。 石墨烯/Ru界面电输运性质的计算和分析 研究者们通过DFT+NEGF的计算,将局域电导的空间调制归因于石墨烯/Ru界面不同位置的电子透射系数,即“接触质量”的差异。进一步的研究表明,透射系数由局域载流子浓度和电子输运路径上的静电势垒决定,其中静电势垒与原子间的距离密切相关。 电接触模型的构建及应用 研究者们通过DFT+NEGF计算并拟合出了“接触质量”随原子间距离的变化规律,并修正了载流子浓度的影响,提出了原子接触质量模型(ACQ模型),揭示了界面原子堆垛结构与界面电导之间的联系。ACQ模型成功地复现了实验中观察到的石墨烯/Ru体系局域电导的摩尔纹级别和原子级别的空间调制。 研究者进一步将ACQ模型应用于扭转双层石墨烯体系。ACQ模型计算出的双层石墨烯层间电阻的转角依赖性与实验结果一致。同时该模型可以综合考虑局域载流子浓度和层间静电势垒的空间分布对局域层间电导的影响,其计算出的Pt针尖/扭转双层石墨烯体系的局域电导分布与c-AFM的测量结果相吻合。 参考文献 Song Aisheng, et al. “Modelling atomic-scale electrical contact quality across two-dimensional interfaces.” Nano letters 19.6 (2019): 3654-3662. Yu Zhiwei, Song Aisheng, et al. “Understanding Interlayer […]

复数能带、固体中的衰减态和电子输运(JCP 2017)

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复数能带的概念和求解方法 对于周期性固体,薛定谔方程 Hψnk=EnkSψnk (S为重叠矩阵)中的 ψnk 可以写为 ψnk(r)=e−ik⋅rUnk(r),这里的 Unk(r) 是与晶体自身周期性相同的周期函数。在一般的能带结构计算中,给定一系列实数的波矢k(通常位于第一布里渊区的高对称方向上) ,可以通过求解上面的薛定谔方程得到不同 k  值上的本征矢,由此确定本征能量 Enk (即能带结构)。 在给定能量 E时,可以求解满足薛定谔方程的 k 值。这种解法可以得到实数和复数的 k,实数 k 的解是通常的 Bloch 态,而带有虚部的解是在一个方向上呈指数递减,相反方向上递增。这样的解通常不能稳定存在于块体材料中,因此在能带结构计算中通常被忽略。然而,它们可以存在于表面或界面处,并且可以提供关于电子态如何在材料中衰减的信息。计算复数能带的方法可参考: Yia-Chung Chang and J. N. Schulman. Complex band structures of crystalline solids: An eigenvalue method. Phys. Rev. B, 25:3975–3986, Mar 1982. doi:10.1103/PhysRevB.25.3975。 复数能带与衰减电子态 下图清楚的显示了复数能带上不同点的波函数形态:实数能带具有完整的周期性,而复数能带则呈现衰减态。 复数能带与电子透射 对于导电结,很自然地可以通过材料的电导-长度依赖性β来表征材料,此依赖性可以通过计算复数能带获得。更多关于复数能带结构的概念和在导电结中的应用,请参考: Jensen, A. et al. Complex band structure […]

澄清电催化反应机理:单电极非平衡表面格林函数模型的应用(Nano Energy 2019)

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摘要 文章使用“单电极非平衡表面格林函数(OPNS)”模型和方法,阐明了碘还原反应(IRR)电催化机制的一个长期争议的问题。OPNS 模型克服了传统方法基于自由能图和片层(Slab)模型的局限性,清楚地显示了 IRR 的多步反应机制,这种多步机制来自于外加电场对碘分子吸附构型的决定性影响。在还原电位下,碘分子更倾向于垂直构型,这种构型引起了碘原子上的不对称电荷聚集,并最终导致两个碘原子依次还原脱附。此外,文章还为催化活性评价提供了新的令人信服的描述符,即代表了部分还原能力的还原过程与电场强度之间的线性斜率,以及完全还原所需最小电位的阈值电场强度。 模型 文中所使用的模型有别于传统的片层(Slab)模型,它将一个材料片层无缝的连接于该材料的块体周期(电极)模型上,两者之间通过自能耦合。整个体系的电子态和能量通过全自洽的 DFT-表面非平衡格林函数方法求解,确保了计算的可靠性。这一模型克服了片层模型有两个表面、厚度有限的问题。同时,在外加电场情况下电极端不会发生电位漂移和充电,因此更真实的反映表面电荷的变化情况。真空端 Neumann 边界条件的引入也使得在表面方向上施加电场更为自然。 新一代材料与器件模拟平台 QuantumATK 是唯一包含此模型方法的软件,了解更多表面模拟的模型和应用,请参考: https://www.fermitech.com.cn/quantumatk/tool-surface/。 有关 QuantumATK 在催化与化学反应研究中优势和其他应用参见: https://www.fermitech.com.cn/quantumatk/app-catalysis/。 反应机理争议 以往的文献报道中讨论碘的 IRR 反应使用两种机制:(1)协同机制:碘分子平行的接近表面,发生解离吸附成为碘原子,随后被还原成离子并脱附;(2)多步机制:碘分子垂直接近表面,两个碘原子先后被还原脱附。 澄清反应机理 为了澄清反应机理,作者研究了在不同电场情况下,碘分子的优势吸附构型与碘原子的带电的情况,并以此为出发点预测了在还原电位下,垂直吸附构型和多步还原机理占据主导。 描述催化活性的新手段 通过构造在外电场逐渐增强的情况下碘分子的还原性解离吸附的过程和碘原子还原性脱附过程(如下图),作者认为该电场-键长直线关系斜率和还原反应的阈值电场强度可以用于描述表面对 IRR 反应的催化活性。作者用此方法比较了 Pt(111) 与 Pt(100) 以及多种金属表面的活性,得到了与实验报道一致结论。 与传统模型和方法的比较 作者还进行了基于 Slab 模型和自由能图(FED)的传统方法详细计算,并用吸附自由能和过电势来描述 IRR 催化反应活性(相关结果详见 Supporting Information),进一步验证了单电极非平衡表面格林函数方法的优越性。 参考文献 Lee, C. H., Nam, E. B., Lee, M.-E. & Lee, S. U. Unraveling the […]

QuantumATK应用:催化材料与机理

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优势 QuantumATK在研究化学反应与催化材料方面有独特的优势: QuantumATK图形界面 高效、易用的建模工具 构建吸附结构模型特别方便 更高效的NEB反应路径创建与优化方法 使用熟悉的Slab模型研究吸附结构与反应 单电极表面格林函数模型 特别适合研究化学反应,尤其是在电场下的催化反应 为QuantumATK独有 实例1 电催化:电场下碘分子的还原反应机理 立即试用 QuantumATK! 下载QuantumATK软件安装包 申请QuantumATK的全功能试用许可  

QuantumATK原子尺度模拟的优越性:筛选用于先进工艺节点的新型互连金属

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前沿逻辑电路技术的尺寸缩减给互连堆层的尺寸和工艺整合带来了重大挑战,尤其是中道(MOL)结构。金属间距的减小导致电容增大,而金属宽度和高度的减小则增加了电阻。这种对延迟的RC寄生贡献可以抵消或大大降低改进晶体管驱动电流的获得的好处。为了缓解电阻增加的趋势,半导体制造商正在探索电阻率比铜更低的替代金属。 在DTCO(Design Technology Co-Optimization)的背景下,新的互连金属不仅能够降低MOL中的寄生负载,而且有助于集成新的尺寸缩减方案,如包埋式供电线轨(buried power rails),此时低电阻率导线对于缓解配电网络中的互连电阻损耗(IR-drop)至关重要。 本文综述了QuantumATK原子尺度模拟方案 在缩减互连堆层尺寸研究中的应用。QuantumATK能够使用严格的密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法计算金属的电子输运和电阻率。从模拟中得到的结果和见解让技术人员能够更有效地选择替代金属并集成到先进的逻辑和记忆电路工艺中。 典型的互连堆层如图1所示。 图1:典型的互连堆层 铜(Cu)的封装结构包括一层衬垫层,该衬垫层可促进金属的粘合;还包括一个阻挡层(通常为TaN),该阻挡层可防止Cu扩散到周围的电介质中,并阻止其他物质(如O2、OH–和H2O)进入互连。由于表面、缺陷和晶界的电子散射增加,铜的电阻率在与衬垫层和阻挡层的界面附近增大。随着线宽的减小,金属导电率的这种表面退化影响增大(如图2所示),并开始主导导线或通路的整体有效电阻率。此外,为防止电迁移,阻挡层材料的厚度必须保持大体恒定;而线宽减小导致更大比例的导线横截面由电阻比铜高的阻挡层材料组成,这也进一步加剧了问题。 图2:由于线宽减小而导致的金属(Cu)导电性降低 正如本文关注的GlobalFoundries(GF)和IBM在发表论文中所强调的那样,使用QuantumATK进行原子水平模拟在描述不同散射效应对电阻的影响以及寻找降低电阻的途径方面具有极其重要的意义。 使用密度泛函理论(DFT)方法获得金属纳米线的电子结构(如态密度和结合能),可以评价其结构完整性和抗电迁移能力。利用QuantumATK中具有非平衡格林函数(NEGF)的DFT模块进行电子输运模拟,获得各种尺寸和取向纳米线的电流和热流、电阻/电阻率以及不同衬垫层和阻挡层材料界面的垂直电阻。DFT+NEGF还可以用于对晶界上各种缺陷和散射产生的电阻进行估计,并获得晶界反射系数。结果表明,QuantumATK预测的电阻率趋势和晶界反射系数与实验结果相当一致。QuantumATK还可以用来分析阻挡层材料。进行DFT+NEB(nudged elastic band,一种过渡态搜索方法)计算可以获得缺陷的形成能量和活化势垒,随后用于Sentaurus过程动力学蒙特卡罗模拟,可以估计为避免金属离子扩散到介电层所需的阻挡层金属厚度。 这些方法能够对尺寸缩减后电阻比铜小的金属线材料、导体|衬垫层|阻挡层|导体界面的通路电阻较小的金属线材料进行系统的筛选和表征,并找到具有高内聚能的金属,从而避免使用扩散阻挡层。作者对作为铜替代品的各种金属(铂、铑、铱、钯、铝、钌)进行了研究并得出了一些结论。与铜[1]相比,铝由于晶界(GB)散射大、垂直通路电阻大、电迁移率大而不适合作为铜的替代导体。Pt、Rh和Ir纳米线在内聚能(即抗电迁移)方面表现出优越的性能,并且可以在无扩散阻挡层的情况下使用[2];然而,铜还是比这些金属更优越,因为铜的电阻比这些金属小(GB散射小)。由于不需要扩散阻挡层,Ru是一种很有前途的选择。作者还研究了表面缺陷造成的Ru的表面退化以及Ru/衬垫层界面的GB散射和电阻[3]。 图3: Ru作为互连堆层的新导体金属的研究:Ru电阻率与晶粒直径的函数关系 通过改变衬垫层和阻挡层材料来降低电阻是缩小互连堆层尺寸的另一种策略。计算表明,TiN是最适合Ru互连的衬垫层材料(与Ti或TaN相比)[3]。如图4所示,铜导体的阻挡层从TaN变为Ta会导致通过通路结构的垂直电阻显著降低,无论是带有Co还是Ru的衬垫层情况。这与多尺度研究一致,多尺度研究预测通过将铜导体的扩散阻挡层从TaN到Ta,通路电阻可以减少约26%,这相当于可以使3纳米技术节点的器件性能增强2%[5]。重要的是,阻挡层(Ta->TaO,Ta2O5)和衬垫层(Ru-> RuO2)材料的氧化可进一步显著增加垂直电阻,根据氧化程度和金属与金属接触面积的不同,其变化幅度可达到一个数量级[6]。 图4:互连堆层不同衬垫层材料(Co和Ru)和阻挡层材料(TaN和Ta)的研究:沿通路结构的垂直电阻 了解防止导体金属在互连堆层中扩散所需的阻挡层厚度也非常重要,因为这可以筛选阻挡层金属材料,使其在厚度较小时工作良好,从而为主要金属导体留出更多空间。一项将QuantumATK作为多尺度模拟方法一部分的研究确定了防止互连内Co扩散的TiN层的临界厚度为3纳米[7]。 虽然这一领域的大部分工作都集中在评估通路电阻上,但降低热阻同样重要。GlobalFoundries使用QuantumATK计算了块体材料Cu和Cu/TaN/Co/Cu界面的热流。结果表明,热流与电流一样受到界面散射的强烈影响[8]。用QuantumATK得到的结果可以用于大规模有限元模拟,以进一步模拟互连中的自发热。 未来,我们预计原子尺度模拟方法可以应用于更复杂的金属和材料(例如多相化合物和碳纳米管)的研究,因为半导体工业要继续寻找途径来减少先进工艺节点处上互连寄生效应的影响。   参考文献 T. Zhou, N. A. Lanzillo, P. Bhosale, D. Gall, and R. Quon, “A first-principles analysis of ballistic conductance, grain boundary scattering and vertical resistance in aluminum interconnects”, AIP […]