双酚A−碳纳米管纳米复合材料制备的DFT预测和实验强度测试

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摘要 环氧树脂及其衍生物和复合材料由于具有优异的比强度,在汽车、飞机、结构粘接、保护涂层、水过滤等领域的许多潜在应用中是优选材料。作为汽车和飞机中的结构构件,环氧基部件在其使用寿命期间暴露于各种静态/动态机械载荷条件。基体和增强体之间的界面相互作用极大地影响了复合材料的最终性能。本研究表明,用于制备复合材料的溶剂也有助于界面相互作用。本研究系统地找到了适合双酚A(BPA)环氧树脂纳米复合材料的溶剂(丙酮)和增强型多壁碳纳米管(CNT),并仔细研究了所制备的环氧-碳纳米管纳米复合材料的动态和静态强度。 理论计算 作者进行了密度泛函理论(使用QuantumATK软件)模拟,以研究和确定CNT在与丙酮分子和环氧树脂基体的界面相互作用过程中原子形态的变化。计算预测,与原始CNT相比,具有轻微缺陷的CNT更适合于纳米复合材料的合成,并且也有助于CNT在BPA中的均匀分布而不聚集(以丙酮为溶剂)。此外,还详细研究了BPA和固化剂处理后碳纳米管的结构变化以及缺陷的作用。下图是DFT研究的示意图,从原始CNT(a)开始,产生单空位缺陷(b),然后加入丙酮(c),并评估丙酮官能化的CNT(a-CNTs)(d)和BPA(e)之间的相互作用,最终将非共价连接的BPA提供给a-CNTs(f)。 下图为A-CNTs的前视图和侧视图(A,b),由丙酮官能化在前方向和侧方向上引起的键长变化(c,d),连接在A-CNTs上的BPA的前视图或侧视图(e,f),以及ECD的图谱(g)。 实验验证 在恒定的磁力搅拌条件下,将在丙酮中充分分散的CNT与BPA的酯混合。使用纳米压痕技术制备了片剂形状的样品,用于测试复合材料的静态和动态性能。观察到BPA−CNT复合材料的静态弹性模量和硬度分别显著提高了55%和22%(与原始BPA相比)。纳米复合材料的储能模量和tandelta也分别提高了14%和46%。本工作中报道的静态和动态性能的改善,显著提高了BPA−CNT基纳米复合材料在严重静态和动态负载条件下的利用范围。碳纳米管增强环氧树脂的静态和动态分析为纳米复合材料的机械性能提供了更现实的理解。 参考 Suneev Anil Bansal, Amrinder Pal Singh, Sukhbir Singh, and Suresh Kumar. Bisphenol-A-Carbon Nanotube Nanocomposite: Interfacial DFT Prediction and Experimental Strength Testing. Langmuir 2023 39 (3), 1051-1060. DOI: 10.1021/acs.langmuir.2c02723

机器学习力场 M3GNet(或 DFT)预测锂电池材料中锂嵌入势

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本文实现功能简介 因为 M3GNET 是针对这类锂电池材料结构的能量而训练得到的力场,因此能够很好地、符合预期地再现这些材料中的 Li 嵌入势。下图是 M3GNET 与 DFT 或实验结果的对比: 因此 M3GNET 可以用于筛选未知材料,或快速评估给定成分的 Li 嵌入势。不过 M3GNET 无法很好地描述脱锂前后体积的变化,因为它是基于 PBE(+U) 训练的,并且一些相关材料的结构没有用该理论水平很好地描述(理想情况下,结构应使用 BAND 和SCAN泛函进行计算)。 本文提供了一个基于 PLAMS 的 Python 脚本,可以调用 M3GNET 力场或者基于DFT的 BAND 模块进行计算,对不同材料的Li嵌入势进行筛选。其中 Li 嵌入势的定义,例如对 LinO6Ti3: VLi = [E(LinO6Ti3) -E(O6Ti3)-E(Li)*n]/n 脚本还计算了晶胞体积变化:V(O6Ti3) – V(LinO6Ti3) 脚本的使用 下载压缩文件并解压,得到一个 cif 文件夹以及一个 Python 脚本名为 Li_potential.py。其中 cif 文件夹存放的是样本结构,可以存放多个。筛选时,用户可以基于这些样本结构,分别替换其中的过渡金属和氧元素,然后计算上述两种数据。 用户可以通过如下2行修改过渡元素和替换氧元素的元素列表: tm_list = [‘Ti’,’V’,’Cr’,’Co’,’Mn’,’Fe’,’Ni’] anion_list = [‘O’,’S’] […]

滑移顺电特性:过渡金属二硫族化合物双层

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摘要 传统的铁电体经热诱导的相变后结构对称性增加,这种更高对称性结构被称为顺电结构。铁电过渡金属二硫族化合物双层最近被证明是顺电的,但对这种相的原子构型没有太多的描述。采用包括分子动力学在内的数值计算模拟发现,它们的顺电性只能归因于具有相反本征极化的铁电相的时间域平均值,其切换需要宏观上在大的区域里进行一致滑动。 方法 作者对 $\mathrm{MoS}_2$、$\mathrm{WS}_2$、$\mathrm{MoSe}_2$ 和 $\mathrm{WSe}_2$ 等双层进行的研究包含两个部分。第一部分是利用平面波基组密度泛函理论(DFT)计算,得到相对的结构能以及过渡金属二硫族化合物双层的振动特性。另一部分是基于有限温度 MD 计算,采用了机器学习的经典原子间势,这些经典势是采用数值原子轨道基组的 DFT 结果进行训练的。 新一代材料模拟平台 QuantumATK 可以在简单易用的图形界面上完成这类计算的全部计算流程,包括: 支持基于 PAW 势的平面波 DFT 或基于 LCAO 基组的 DFT;计算能量和振动模式;基于 Berry 相位计算极化;直接在图形用户界面上进行 MTP 机器学习势的训练;采用训练好的经典势进行分子动力学模拟。 研究内容 铁电体传统上用具有两个简并极小值的能量图来描述,两个极小值之间存在较小的能量势垒J。3R过渡金属二硫族化合物双层则由于存在周期性的能量势垒结构,成为了一种具有无限数量简并极小值的“不寻常”铁电体。“顺电”状态是极化 P 在长时间内的时间平均值,其中 P 取在任何给定时间交换符号的确定非零值,平均值降到零。 采用机器学习力场的分子动力学模拟 $\mathrm{WSe}_2$双层的滑动(两层间原子对距离随时间的演化)。图 f ~图 i 可以观察到滑动过程。发生滑动的位移方向对应于六角格子的矢量(图 e 插图),通过改变温度直至观察到在 1 微秒内发生滑动,可以确定相转变温度。 490K 温度下的滑动过程 MD 模拟中,可以通过对比滑动前后两帧结构观察到极化的符号翻转。 参考 Juan M. et al. Slippery Paraelectric Transition-Metal Dichalcogenide Bilayers. Nano Letters 2022 […]

【国家纳米科学中心高兴发课题组】远取代基对MOF催化活性的影响:比Hammett更普适的模型(npj Computational Materials 2023)

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摘要 Hammett 方程通常用于描述取代基对金属有机骨架 (MOFs) 金属节点催化活性的远程电子效应。然而,该理论在 MOFs 催化剂上的应用经常遇到问题,因为它严重依赖于可移植性未知的经验参数。为了发展更普适的替代理论,国家纳米科学中心高兴发、孟幻,江西师范大学高雪皎等课题组,通过密度泛函理论计算,提出了配体轨道能量模型。该模型提供了一种简单的方法,近似描述远程电子取代基对 MOFs 金属节点催化活性的影响,并通过对文献中报道的结构-活性关系的广泛回顾,验证了对 MOFs 的普遍适用性。 在这种模型中,催化关键能垒与配体轨道能量呈近似线性关系,不依赖于经验参数,适用于具有不同配体和取代基的 MOFs 。与 Hammett 模型相比,通用性更高,允许研究者通过调节配体和取代基的电子性质来设计 MOFs 金属节点的催化活性。 配体轨道能量模型 决速步自由能垒、电荷转移、过渡态示意图 对 UiO-66-X (X=NH$_2$,H,O$_2$) 两种不同电子转移方向( MOFs 推/拉电子)的催化反应中的决速布进行了研究,发现电子取代基对“催化作用区域原子”的总电荷转移 ΔQ$_{CAT}$ 增强越多,则决速步自由能垒越低,从而 MOFs 金属节点催化活性也越大。 通过 AMS 软件 ADF 模块中的 ETS-NOCV 方法,分析催化剂基团与反应物之间的轨道相互作用,发现两类反应的主要轨道相互作用其实是相似的,即金属 d$_{z^2}$ 轨道和配体 p 轨道之间的相互作用。由于配体取代基与节点金属之间的远程 π-d 共轭,取代基通过调节金属的核外电子密度,即可调节金属的有效核荷(Z$_{eff}$),进而调节包括金属 d$_{z^2}$ 轨道在内的分子轨道的能量,实现对金属催化活性的调节。这种π-d共轭催化活性的取代基效应,有时被理解为远程共轭调节了节点金属的Lewis酸度。 右侧为两种反应的过渡态的电子转移情况,其中红色区域表示失去电子,蓝色区域表示得到电子,两种反应电子转移方向相反,但成分相似 作者发现催化剂的前线轨道能量与配体的前线轨道能量具有良好的线性关系(因为UiO-66-X团簇的 HOMO 和 LUMO 都主要位于配体上)。通过数值线性拟合,建立了催化活性(以决速步自由能垒来表征)与催化剂前线轨道能量的关系。 值得注意的是,尽管 ΔQ$_{CAT}$ 是理解模型背后机制的关键,但在使用配体轨道能量模型时,并不需要 ΔQ$_{CAT}$ […]

具有手性连续体的光子活性蝴蝶结纳米组件(Nature 2023)

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摘要 在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中,美国密歇根大学Kotov教授小组的Prashant Kumar博士报导了具有显示手性连续体的化学结构的蝴蝶结纳米结构微粒。与具有二元左右手性的典型手性结构不同,它们的扭曲可以从完全扭曲的左手结构精确调控到扁平煎饼结构,再到完全扭曲的右手结构。合成快速而直接,可以选择性反射某些类型的圆偏振光,这种手性材料成为经济型手性超材料的杰出代表。这对机器人视觉开发领域具有重要意义,可能推进机器人在复杂人类环境中精确导航的技术发展。而且蝴蝶结颗粒的分散结构,非常有利于在各种类型材料上的印刷。 为了解释实验观察到的蝴蝶结纳米组件的巨大振动圆二色性信号(VCD),用ADF进行了DFT计算。Paul Nicu博士对大型蝴蝶结结构(200至400个原子之间)进行了BP86/DZP计算,并使用AMS图形用户界面的VCDtools程序对结果进行了分析。 延申参考阅读:https://www.sohu.com/a/657193321_121334651 参考文献 Prashant Kumar, Thi Vo, Minjeong Cha, Anastasia Visheratina, Ji-Young Kim, Wenqian Xu, Jonathan Schwartz, Alexander Simon, Daniel Katz, Valentin Paul Nicu, Emanuele Marino, Won Jin Choi, Michael Veksler, Si Chen, Christopher Murray, Robert Hovden, Sharon Glotzer and Nicholas A. Kotov, Photonically active bowtie nanoassemblies with chirality continuum, Nature volume 615, […]

无修饰碳纳米管的两亲性起源:作为完全可回收的油包水乳液稳定剂

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背景 无修饰碳纳米管(CNT)显示出作为乳液稳定剂的潜力,能够取代水毒性小分子表面活性剂。然而,对现实 CNT 的水-固界面的理解不一致,阻碍了对其个性化的功能性、在良性介质中的可加工性以及与广泛基质的兼容性的利用。在低能耗要求下,基于水和廉价正构烷烃的纯碳纳米管加工是迈向绿色技术的重要一步。因此,有必要在从疏水性到亲水性的标尺上,定量评估各种结构化的 CNT 组分。这种结构交织特征可以导致两亲性,从而形成油包水乳液。 研究内容 作者使用精确的实验和严格的理论研究,研究了碳纳米管与水和油相相互作用的性质,对碳纳米管和碳纳米管乳液进行了全面表征,揭示了各种乳液的微观和纳米形态,建立了纯净和纯化碳纳米管乳化行为的描述方法,讨论了由纯净和纯化的多壁碳纳米管(MWCNT)稳定的水/油乳液的稳定性机制,结果还显示了两亲性强度取决于 CNT 尺寸、氧化/空位结构域以及油水比,表明了 MWCNT 可加工性的最佳值。 实验支持的量子力学计算表明,真实的 CNT 具有明确的亲水和疏水结构域,表现为具有亲水性开口端、少量氧官能化/空位表面区域、疏水性侧壁和全封闭端,这使得纯净 CNT 成为一维两亲物,能够用作完全可回收的一维表面活性剂,用于稳定水/油乳液。 研究结果证实,碳纳米管在制备聚合物、陶瓷、金属和其他复合材料中作为完全可回收一维乳化剂,有广泛的前景,应用领域包括诸如传热纳米流体、超级润滑剂、涂料、涂层、电催化剂,以及生物成像中局部治疗或造影剂的药物载体等。 计算部分 作者使用 QuantumATK 中的第一原理方法(DFT)对 CNT 与水分子和烷烃分子多种不同构型的相互作用能、电子态密度和电子分布等微观性质进行了计算,分别对比了开口/封闭以及不同尺寸的 CNT 的效果,以解释实验中观察到的亲和性趋势。 作者使用力场方法(ReaxFF)对 CNT-水-烷烃复合体系进行了分子动力学研究,分别研究了不同开口、尺寸、单壁/多壁、修饰基团等对两亲性的影响。建模时,作者采用 QuantumATK 中内置的 PackMol 工具构建了一个纳米管被足够多的水分子和烷烃分子包埋的模型。 为了研究更大体系在较长时间内的动力学特征,作者还使用了 time-stamped foce-bias Monte Carlo 方法对5 个 CNT、500 个癸烷、4000 个水分子体系进行了 33 ps 时间的动力学模拟。 参考 Blacha, A. W., et al, The Origin of Amphipathic […]

【宁夏大学白红存教授课题组】基于ReaxFF MD模拟探索化学链燃烧中芳香族片段解聚的反应机制及复杂反应网络

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1. 计算模型和方法 图1. 芳烃分子在铁基载氧体表面的化学链燃烧反应模型 文中选取化学链技术中最常见的Fe2O3载氧体。构建α-Fe2O3(001)低指数晶面。以Fe-O3-Fe…为反应表面的稳定结构扩胞得到初步铁基载氧体颗粒模型。然后将多环芳烃放到Fe2O3载氧体表面,然后再进行5×5超胞。ReaxFF MD模拟的周期性盒子设定为100 Å×100 Å×50 Å。如图所示,Fe2O3载氧体总共8层16000个原子,其中氧原子9600个,Fe原子6400个。载氧体上面共有25个多环芳烃。多环芳烃选择了固体燃料中具有代表性的4种多环芳烃,这些多环芳烃在许多煤分子结构是常见的。 主要对CLC过程反应器内Fe2O3和多环芳烃体系反应过程ReaxFF MD模拟。计算采用郑等开发的包含C/H/O/Fe等元素的ReaxFF力场参数,以及NVT正则系综分子动力学(NVT-MD)方法进行计算。计算中,步长为0.25 fs,温度由阻尼常数为0.1 ps的Berendsen恒温器控制。模拟反应温度分别为2000、2500、3000、3500、4000 K,探究不同温度Fe2O3载氧体和多环芳烃反应特性。反应前计算模型在450 K进行了40000步非反应(Non-reaction)弛豫过程,使其处于平衡状态。ReaxFF MD模拟过程累积1000000步,总时长250 ps。 图2. 多环芳烃的模型 2. 结果讨论 图3 . 多环芳烃S1反应的过程 图3是多环芳烃在Fe2O3载氧体表面反应的可视化过程。根据截取的0、25 、 75 、125、175、250ps时CLC体系实时图片,燃烧过程可分为四个阶段。通过上述化学链燃烧不同阶段的反应物和产物分析发现,这些多环芳烃分子和铁基载氧体化学链燃烧过程可分为四个阶段。第一个阶段属于反应前阶段,主要发生载氧体颗粒和燃料分子的结构弛豫和扩散。该过程使得体系中载氧体颗粒和燃料分子中化学键呈现键合-解离-键合的动态平衡特征。这将有助于它们在后续过程中参与反应。第二阶段属于初始反应阶段。此阶段多环芳烃自身开始逐步发生热裂解反应,生成自由基和含碳碎片。同时,部分燃料分子或反应碎片与载氧体表面的晶格氧距离靠近,形成有效相互作用,进而形成化学键连。载氧体开始发生反应逐步释氧 。第三阶段属于剧烈燃烧反应阶段。此时多环芳烃在高温环境中大量裂解成分子碎片。载氧体大量释氧同步发生。整个化学链体系呈现剧烈燃烧反应的特征。第四阶段属于最终燃烧阶段。此时大部分多环芳烃已裂解成碎片。主要发生的反应为大量含碳碎片中间体物种的氧化燃烧。该过程生成大量典型燃烧最终产物,如CO,CO2,H2O等。 图4.  基于多环芳烃S1反应中C…C相互作用的RDF分析 为了系统了解不同芳烃燃料分子在化学链燃烧过程中分子结构变化,对燃料分子S1在CLC过程中不同反应时间体系的C…C相互作用距离进行了径向分布函数(RDF)分析。RDF在约1.4 Å 处的峰可反映体系中C-C键的数量变化,并表征芳烃燃料分子的热分解反应动力学。 在50 ps时1.4 Å处峰的强度仍2500。这表明此时燃料分子中C-C数量不变,燃料分子尚未解离。在75/ 100/ 125/ 150/ 175 ps时,RDF中1.4 Å处峰的强度分别为2000,1700,300,120和40。这表明反应过程中燃料分子中C-C数量减少,燃料分子逐步解离发生燃烧反应。通过RDF和 C-C键数量变化分析,可以很好地反映上述化学链燃烧反应的四个阶段。 图5. 基于多环芳烃反应中反应物分子数量变化(图A是S1反应中分子数量变化图;B是S2反应中分子数量变化图;C是S3反应中分子数量变化图;D是S4反应中分子数量变化) 研究发现,CLC反应温度对燃料分子参与化学链燃烧反应影响显著。燃料分子随CLC温度升高呈现参与反应提前现象。从燃料分子反应数量可发现,随着CLC温度升高,芳烃分子参与反应越早。例如,S1分子在3500 K时,在50 ps开始反应分解,而2000/2500/3000  K时则分别为62.5,62.5,50 ps。因此,S1分子在3500 K的反应分别比2000/2500/3000 K提前了12.5,12.5,0 ps。同时还发现,CLC温度对于燃料分子分解时间具有影响。分析燃料分子反应数量可发现,随着CLC温度升高,芳烃分子全部参与CLC反应耗时减少。例如,S1分子在3500 K时,在50 ps开始反应分解, 137 ps体系无S1分子。S1分子全部参与反应并分解总耗时87 […]

$\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$光电探测器中铁电调控的光伏效应

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简介 二维范德瓦尔斯型铁电材料的可切换性给纳米级光伏器件的发展带来了更多的可能性。在本文中,北京大学吕劲老师课题组基于 QuantumATK 中密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)耦合的方法,研究了单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光电探测器在不同铁电极化状态下的光电效应,通过计算表明。结果表明当铁电极化方向切换的时候, $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光电探测器在特定波长和偏振方向下,可以产生 $69.2~mA/W$ 的光电响应率和高达 $10^7%$ 的光电流开关比。 单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 材料特性研究 理论上, $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 具有两种铁电相(WZ’ 和 ZB’),作者对两种单层相的能带结构,铁电极化和光吸收系数进行了计算。其中 ZB’-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 铁电极化强度的计算结果(面内和面外计算极化强度分别为$3.58×10^{−2}$ 和 $7.53×10^{−3}~C/m^{2}$)和实验结果(分别是 $2.67×10^{−2}$ 和 $1.33×10^{−2}~C/m^2$)高度一致。计算结果表明单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 的光吸收系数可以在可见光范围内达到 $10^5~cm^{-1}$,比传统 Si 和 GaAs 型光伏材料的吸收系数大一个数量级。 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光探测器中浓度和尺寸依赖的光电响应 作者设计了一个基于单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 的 p-i-n 型光电探测器,研究了在掺杂浓度和中心区本征长度改变的情况下器件光电响应率的变化情况。     结果表明掺杂浓度和中心区本征长度对光电响应的影响并不是单调的,如对WZ’-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光探测器而言,最佳掺杂浓度和本征区长度分别是 $10^{20}~cm^{-3}$ 和 $8~nm$,而对于 ZB’ […]

环栅硅纳米线场效应晶体管的性能极限

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简介 由于环栅(GAA)硅纳米线(NW)场效应晶体管(FET)具有更好的静电栅控能力,它被认为是目前主流硅鳍式晶体管(FinFET)最有潜力的继承者之一。在即将来临的环栅硅纳米线晶体管时代,对硅纳米线晶体管性能极限的探究成为业界关心的问题。本文利用第一性原理量子输运模拟,对一维环栅硅线MOS晶体管的性能极限进行评估,并对其延续摩尔定律的能力给出合理可靠的预测。 使用环栅结构和足够细的硅纳米线沟道可以保证足够强的栅控,在有效抑制短沟道效应的情况下继续晶体管的尺寸缩放。为了方便描述源漏电极对沟道的影响,这里引入特征长度 $\lambda (\sqrt{\alpha \frac{\varepsilon_{ch}}{\varepsilon_{ox}}t_{ch}t_{ox}})$来表示源漏电场在沟道的穿透深度,其中 α 描述栅极几何结构,在单栅(SG)双栅(DG)、三栅(TG)以及环栅情况下,分别取值 1、1/2、1/3、1/4。$t_{ch}$ 和 $t_{ox}$分别代表沟道和栅氧化物的厚度;$\varepsilon_{ch}$ 和$\varepsilon_{ox}$ 分别代表沟道和栅氧化物的介电常数。如图1所示,从三维体材硅(Bulk Si)到单层硅烷(ML silicane)再到一维硅纳米线(1D Si NW),DFT 计算的介电常数从 $13\varepsilon_{0}$(实验值是 $11.9\varepsilon_{0}$)减小到 $2.8\varepsilon_{0}$ 并最终达到 $1.19\varepsilon_{0}$(0.6 纳米直径)。所以,减小硅纳米线的直径是进一步提升 5 nm 栅长下环栅硅纳米线晶体管性能的尝试方向之一。在实验上,硅纳米线的直径已经缩小到 1 nm。 图1 硅的介电系数随材料维度的变化图。 研究内容 本文选择直径为 1 nm 的硅纳米线作晶体管沟道,模拟了如图 2(a) 所示的环栅硅纳米线晶体管模型。经计算,电流集中在纳米线的中心位置(如图2(c))。因此,除有特殊说明,本文讨论的环栅硅纳米线晶体管电流均为直径归一化处理的结果。如图3所示,在栅长为 5 nm 和 3 nm 的情况下,无论直径还是周长电流归一化方式,环栅硅纳米线晶体管的开态电流都要明显高于理论模拟的三栅硅鳍式晶体管以及双栅单层硅烷晶体管。以 ITRS 要求的高性能器件开态电流为基准,能够满足开态电流标准的三栅硅鳍式晶体管和单层硅烷晶体管,最小栅长均为 5 nm,而达到开态电流标准的环栅硅纳米线晶体管,最小栅长为 3 nm。 图2 (a) 环栅硅纳米线晶体管三维立体图, 沟道采用氢钝化的直径为 1 nm […]

分子动力学在电子材料与器件研究中的应用

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创建非晶材料结构 铝隧道结是各种电子设备的关键部件。这些被称为约瑟夫森结(JJ)的超导隧道结是超导量子比特的主要组成部分之一,这是量子计算机竞赛中最受欢迎的量子比特技术。在这项模拟研究中,作者将JJ结构建模为两个铝电极,之间被一层薄的非晶氧化铝隔开,并提出了一项结合分子动力学、原子半经验方法(密度泛函紧束缚)和非平衡格林函数的计算研究,以研究这些结器件的电子结构和电流,尝试理解非晶氧化物势垒的结构如何影响性能和缺点。结果表明,与铝氧配位相关的非晶势垒的原子性质敏感的影响伏安特性、电阻和临界电流。氧化物化学计量数是一个重要参数,可导致电阻和临界电流的几个数量级变化。模拟进一步说明了由于具有相同化学计量、密度和势垒长度的非晶势垒之间原子结构的微小差异而产生的可变性。结果还证实,通过势垒的电荷传输主要由金属传导路径控制。(Lapham, P.; Georgiev, V. P. Computational Study of Oxide Stoichiometry and Variability in the Al/AlOx/Al Tunnel Junction. Nanotechnology 2022, 33 (26), 265201. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac5f2e) 验证制备材料的复杂结构 有关无定形硒结构的结果包含许多不确定性和矛盾,特别是关于聚合链与单体环谁更具优势。由于硒的晶体同素异形体在配位数、键长、键角和二面角方面的相似性,衍射径向分布函数的分析具有不确定性。在这里,作者采用了一种非常不同的方法,通过结构相变分析探讨了热力学不稳定非晶态的分子对称性,使用扫描透射电子显微镜验证了转化的亚稳态和稳定晶体结构的结构。此外,考虑到实验技术无法证实玻璃态半导体中精确的三维原子排列,作者使用基于力场的分子动力学进行了模拟,设计了一种真正的气相沉积过程,利用经验分子气相组成和密度将硒分子沉积到衬底上。模拟得到的气相沉积和熔融淬火样品的径向分布函数与实验非常吻合。实验和分子动力学分析的结合表明,气相沉积和熔融淬火的玻璃态/非晶态硒的结构非常不同,二者的主体分别基于环和链,反映了母相在热力学平衡中的主要结构。(Goldan, A. H., et al. Molecular Structure of Vapor-Deposited Amorphous Selenium. Journal of Applied Physics 2016, 120 (13), 135101. https://doi.org/10.1063/1.4962315) 分子动力学模拟得到的结构。两种颜色分别表示环状与链状结构(a:熔融淬火;b:气相沉积)。 验证分子体系自组装结构 完全芳香的螺旋烯是构建固有手性π-共轭大环纳米碳的有吸引力的构建块。这些迄今罕见的分子结构被认为具有显著的(手性)光学性质、自组装、电荷/自旋传输、诱导环电流或甚至Möbius拓扑结构。本文报道了以角二苯并[5]螺旋烯单元为顶角、以线性反式-苯乙烯-4,4′-二基连接体为边的螺旋手性大环的合成。使用空气AFM的优化PeakForce模式,可以研究螺旋烯环三聚体在HOPG表面上的其他高度移动立体异构体的自组装。无论立体化学如何,发现这些大环的边对边相互作用的强烈偏好在有序的二维纳米晶体中形成非常长的平行一维分子条纹,这一结果也得到了分子动力学模拟的验证。最初引入大环以提高溶解度的六个三苯甲基基团,在大环的自组装中充当关键的“分子Velcro”系统,可以将它们之间的范德华相互作用最大化。(Houska, V., et al. Helicene-Based π-Conjugated Macrocycles: Their […]