研究背景 随着传统硅基场效应晶体管（FET）器件尺寸不断缩小，器件功耗和亚阈值摆幅（Subthreshold Swing, SS）问题愈发突出，传统 MOSFET 已难以满足低功耗、高性能逻辑电路的需求。为突破硅基器件的物理极限，新型二维材料及其异质结构被广泛研究，尤其是石墨烯和过渡金属二硫化物（TMDs）等材料。石墨烯因其高载流子迁移率和零带隙的特性，可用作 Dirac 源极实现高效率载流子注入，而 MoS2 等半导体二维材料具有可调节的带隙和优异的开关性能，将其与石墨烯横向连接形成异质结，可同时兼具高开态电流与低亚阈值摆幅的优势。近年来，Dirac 源-FET（DSFET）作为新型低功耗器件方案受到了广泛关注，但器件性能受限于源极掺杂浓度、能带匹配以及界面载流子传输效率等因素，如何通过优化异质结构设计实现陡坡开关、低功耗高性能仍是亟需解决的关键问题。本研究通过构建横向石墨烯/MoS2 异质结构，系统分析源极掺杂对器件亚阈值特性和开态电流的影响，为二维材料 FET 的设计提供了理论指导。 研究内容 基于第一性原理计算和量子输运模拟，我们系统地研究了基于横向 graphene/MoS2 异质结构的 Dirac-源场效应晶体管（DSFET）的输运特性。首先，由于石墨烯源的掺杂浓度会显著影响界面的能带对齐，从而影响 DSFET 的性能。因此，考虑六种不同的石墨烯源掺杂浓度并计算电流-电压输运特性曲线。 图1.（a）graphene/MoS2 横向异质结构 DSFET 的原理图（b）不同掺杂浓度下 graphene/MoS2 横向异质结构 DSFET 的电流-电压特性 我们发现过低的掺杂浓度会减少开态下从石墨烯源极注入的载流子浓度，不利于开态电流。因此，石墨烯源极的适度掺杂浓度对于石墨烯/二硫化钼界面的理想能带排列至关重要，这有利于实现高开态电流和陡峭的 SS 值。 图2. 不同源掺杂浓度下 graphene/MoS2 异质结构 DSFET 的态密度 为更好地理解不同源极掺杂浓度下亚阈值摆幅（SS）值的差异，在图 3 中展示了石墨烯源极的态密度（DOS）、源极载流子浓度分布以及 MoS2 沟道在亚阈值区域的态密度。亚阈值摆幅值变化最陡峭的亚阈值区域对应于栅极电压从 0 到 0.2 V 的范围（从关态到开态）。在源极载流子浓度高达 1×10²⁰e/cm³ 时，石墨烯源极的狄拉克点远高于器件的费米能级。 图3. 石墨烯源的 DOS（左）、源极载流子浓度分布（中）和 MoS2 沟道的 DOS（右）在不同掺杂浓度下 graphene/MoS2 异质结构 DSFET 的亚阈值区 一方面，由于界面态的钉扎作用，器件从关态（OFF）到开态（ON）时的界面肖特基势垒（SB）略微降低，电流增加主要归因于 SB 变薄；另一方面，界面态在开态通过三角形 SB 缩短了隧穿路径，从而增强了开态电流。 图4. 不同掺杂浓度下，graphene/MoS2 异质结构 DSFET 在开态和关态下的局部器件态密度投影（PLDOS） 总结 […]

利用漏极态密度工程实现弹道冷源场效应晶体管中偏压无关的亚阈值摆幅 在便携式技术中集成的场效应晶体管迫切需要实现低功耗和对电源电压不敏感的稳定性能。本文提出了一种机制，可在弹道冷源场效应晶体管（CS-FETs）中实现偏压无关的低于 60 mV/dec 亚阈值摆幅（SS）以满足便携式电子器件的需求。第一性原理和量子输运模拟表明，在弹道输运条件下，漏极与源极之间导电模式数（NOCM）的能量对齐对于实现基于 C31/MoS2 的 CS-FET 的偏压无关 SS 至关重要。通过揭示 NOCM 与态密度（DOS）之间的联系，提出了一个器件模型以展示当漏极的 NOCM 与 DOS 在栅极能窗中具有相似斜率时，如何稳定器件在不同偏压下的 SS。本研究强调了漏极 DOS 工程在设计偏压不敏感的 CS-FET 中的重要性，并为便携式电子应用提供了新的设计思路。（Applied Physics Letters, 2024, 124(5). DOI:10.1063/5.0177388） Janus 型 MgZnXY（X, Y = O, S, Se, Te; X≠ Y）单层材料在短沟道场效应晶体管中的第一性原理研究 探索新的二维材料作为超尺度场效应晶体管（FETs）沟道是维持摩尔定律发展的迫切需求。在本研究中，利用第一性原理计算提出了 Janus 型 MgZnXY（X, Y = O, S, Se, Te; X ≠ Y）单层材料，并计算了其动力学和热稳定性。电子能带结构表明，所有稳定结构均为带隙在 2.03–3.40 eV（HSE06）之间的半导体，并具有极高的电子迁移率。受 MgZnXY 家族优异本征性质的启发，进一步研究了以 MgZnSSe […]

电场和应变作用下 MoSSe/Borophene 异质结的可调谐肖特基势垒 通过第一性原理计算研究 Janus MoSSe/Borophene 异质结的电子性质。不同硼烯结构的 MoSSe/Borophene 异质结表现出不同的电子性质。所有异质结均呈现 p 型肖特基接触，电场和应变可以调制 MoSSe/Borophene 异质结的电子特性。随着外加电场的变化，带隙也会发生变化，从而实现欧姆接触。此外，应变引起 Janus MoSSe 从直接带隙到间接的带隙跃迁和接触类型的改变。结果表明，Janus MoSSe/Borophene 异质结的可调电子特性使其成为一种很有前途的电子器件候选材料。（Chemical Physics, 2024, 576: 112114. DOI:10.1016/j.chemphys.2023.112114） 基于自旋无隙半导体 Janus 型过渡金属氮化物 MXene 的栅压可控自旋整流二极管 随着自旋电子学技术的不断发展，自旋电子器件有望成为下一代电子器件发展的重要方向。然而，对于自旋整流二极管而言，如何提供大量自旋极化载流子仍是一个关键技术问题。传统的自旋极化注入模型采用铁磁体（FM）/半导体结构，但由于导电性失配会限制其极化注入效率，这使得寻找导电性介于金属与半导体之间的自旋无隙半导体成为解决该问题的有效途径。近年来，作为一种具有高自旋极化率的新型二维材料，MXene 被认为可以通过外场或邻近效应实现电子结构的调控。基于此，本研究提出一种 Janus 型过渡金属结构的 MXene，通过打破过渡金属的对称性调控其自旋特性。进一步研究发现，TiCrNO₂ 的能带结构可以通过施加外加电场实现有效调控，当外加电场强度为 1 V/Å 时，可由磁性半导体转变为自旋无隙半导体。在此基础上构建可调谐的自旋整流二极管，并结合第一性原理计算与非平衡格林函数方法研究自旋整流效应。结果表明，通过改变外加电场的强度，可以调节自旋整流二极管的整流比，其整流效率超过目前已报道二维整流器件的最高值。本研究为氮化物 MXene 在自旋电子器件中的应用提供了重要参考价值。（Diamond and Related Materials, 2024, 141: 110641. DOI:10.1016/j.diamond.2023.110641） 采用硅烯电极的 SnSe2 隧穿场效应晶体管开态电流优化研究 提升开态电流（Iₒₙ）对于隧穿场效应晶体管（TFET）的实际应用至关重要，本文利用从头算量子输运计算研究采用硅烯电极的 SnSe₂ TFET 提升 Iₒₙ 的可能性。最优器件结构是在 n 型和 p 型异质结 TFET（HetJ-TFET）中分别使用 p 型和 n 型范德瓦耳斯（vdW）硅烯/SnSe₂ 作为电极。令人鼓舞的是，n 型 HetJ-TFET […]