本文使用元宝 Hy3 preview 模型总结归纳 。 摘要 金属卤化物钙钛矿因其优异的光致发光特性，已成为颇具前景的发光二极管半导体材料。然而，其性能仍受限于在衬底上原位合成钙钛矿纳米晶过程中“高结晶度”与“小尺寸”之间的固有矛盾。本文报道了通过原位聚合驱动的纳米晶限域策略，合成了由高质量纳米晶组成的钙钛矿薄膜，从而实现了高效的蓝色钙钛矿发光二极管。原位形成的聚合物网络在钙钛矿纳米晶生长过程中施加了纳米尺度的空间限域作用，使纳米晶兼具小尺寸和 83% 的高光致发光量子产率。此外，具有足够配位位点的可聚合单体延长了钙钛矿团簇的晶格重排时间，从而提升了纳米晶的结晶度。所合成的钙钛矿纳米晶用于制备发光二极管后，在 491 纳米波长处实现了 21.8% 的外量子效率，这是蓝色钙钛矿发光二极管中最高性能之一。该工作同时调控了钙钛矿结晶的热力学过程与有机配体反应，有助于深入理解配体工程对纳米晶合成的影响，从而推动高效钙钛矿发光二极管及其他光电器件技术的发展。 一、科学问题与策略设计 传统原位合成要么得到微米级大晶粒（高结晶但辐射复合弱），要么得到缺陷多、低结晶的小纳米晶。作者提出用含不饱和乙烯基+多配位醚/羰基的丙烯酸酯单体（如 P-MOA、OEGA、MPEG-MAA）作为可聚合配体： 单体与Pb²⁺/Br⁻配位，延缓初期簇聚集、延长晶格弛豫时间→提高结晶度 热引发（AIBN）在退火中原位自由基聚合形成POEGA网络，空间限域抑制过度生长→晶粒降至~11 nm（最优OEGA 1 wt% vs PbBr₂） 短链非聚合配体（N-MOA、DMM）或预成高分子（MPEG、PAA）均无法实现同等协同效果，证实原位聚合是关键 筛选发现 OEGA（Mn≈480）平衡了聚合速率与配位能力最佳：太小（P-MOA）限域不足，太大（Mₙ=5000）自聚集致尺寸不均。 二、结构、光学与器件性能 相变：受限纳米晶室温稳定为立方相（Pm 3 m），原样为正交相（Pnma），XRD 与 HRTEM-FFT 证实。尺寸效应+表面 OEGA 配位使立方相比表面积能最低，降低正交→立方相变临界温度。 电子–声子耦合减弱：变温 PL 拟合 LO 声子耦合强度 γ_LO 从 228→115.5 meV，E_LO从39.2→28.7 meV；低频 Raman 八面体畸变峰消失 → 非辐射复合被抑制。 PLQY 达 83%，寿命从 7.5 ns 延至 15.2 ns（OEGA）及 […]
面向亚 5 nm MOSFET 的 Si 兼容高性能二维纳电子器件
研究背景 随着集成电路器件尺寸持续向亚 5 nm 尺度推进，传统硅基 MOSFET 在短沟道效应、量子隧穿及功耗控制等方面面临严重瓶颈，难以满足未来高性能与低功耗芯片的发展需求。如何在极限尺度下实现高驱动电流、低泄漏及良好的栅控能力，并能够与现有硅基工艺相兼容，有效利用现有器件制造技术，成为下一代晶体管研究和应用亟须解决的关键问题。 研究内容 该研究针对超短沟道 MOSFET 性能提升这一核心问题，基于一类具有硅基工艺高度兼容性的二维单层材料 MNH2（M, N = C, Si, Ge），在保证高载流子输运能力的同时实现与现有工艺体系的良好兼容，为器件实际应用提供基础。该工作系统地开展了器件物理与量子输运研究，并构建适用于亚 5 nm 尺度的双栅 MOSFET 模型，深入分析其输运特性与性能极限。 图 1. MNH2单层几何结构及电子性质 研究结果表明，通过引入 Underlap 结构对沟道势垒进行调控可有效抑制短沟道效应并降低漏电流，从而在保证高导通电流的同时实现低功耗运行。通过系统分析不同结构参数对器件性能的影响，揭示了超短沟道条件下电流输运由隧穿机制向热发射机制转变的关键物理过程，从机理上实现器件性能的优化与提升。 图 2. 二维 MNH2 MOSFET 器件结构及输运特性 在器件性能方面，基于 MNH2 材料构建的 MOSFET 在亚 5 nm 尺度下表现出显著优势。在 5 nm 栅长条件下，器件导通电流最高可达 4157 μA/μm（n 型）和 3527 μA/μm（p 型），显著优于多数已报道的二维半导体器件。同时，器件的亚阈值摆幅最低可达 58 mV/dec，接近传统 MOSFET 理论极限，表明其具有优异的栅控能力和开关特性。 图 3. 二维 MNH2 MOSFET 开态电流特性比较 在动态性能方面，该类器件的延迟时间和功耗延迟积均远低于国际半导体技术路线图（ITRS）2028 指标要求，体现出良好的高速与低功耗特性。此外，在栅长进一步缩小至 3 nm 时，器件仍能够保持较高性能并满足高性能应用需求，显示出优异的尺度可扩展能力。与现有二维材料相比，该体系在驱动电流、功耗及综合性能方面具有明显优势，同时具备良好的工艺兼容性，为实际应用提供了重要基础。 值得注意的是，该体系呈现出良好的 n-p 对称性，适于用作 CMOS 器件。该研究系统证明了 MNH2 二维材料在亚 5 nm MOSFET 中的应用潜力，实现了高性能、低功耗与工艺兼容性的综合平衡，为后硅时代晶体管设计提供了新的技术路径和理论依据。 图 4. 二维 MNH2 MOSFET 功耗延迟积特性比较 总结 该研究面向先进微电子与集成电路领域，在下一代超大规模集成电路、低功耗高性能芯片以及新型二维半导体器件中具有重要应用前景。由于 MNH2 材料体系在电学性能与硅基工艺兼容性之间实现了良好平衡，可作为亚 5 nm 及以下节点 MOSFET 的潜在候选沟道材料，为先进制程技术提供新的解决方案。 在高性能计算、人工智能芯片以及移动终端等领域对器件功耗与性能的要求不断提升，该研究提出的材料与器件有望显著提升芯片能效比。同时，由于其 n 型和 p 型器件性能均衡，具备良好的 CMOS 集成潜力，可支持未来新型逻辑器件的发展。随着后硅时代电子技术的持续演进，该成果有望在纳米电子器件及高端芯片制造中发挥重要作用，具有良好的应用前景与推广价值。 参考文献 Hao-Ran Hu, Yan-Dong Guo, et al. Monolayer MNH2 (M, N = C, Si, Ge): Enabling sub-5-nm MOSFETs compatible with silicon-based manufacturing. Physical Review Applied, 2026, 25, 014058 […]
突破传统：单离子源策略实现铁(I)配合物的温和高效合成
研究背景 寻找对现有试剂的低成本、低毒的替代品，一直是均相催化领域的核心诉求。近年来，利用地壳富含的铁元素构建催化剂来取代昂贵且不可持续的贵金属元素，已成为该领域的研究热点。其中，一价铁（Fe(I)）分子配合物更是在诸多工业催化反应中展现出优异的催化性能。然而，性能优势的背后暗藏不可忽视的瓶颈。与第9、10族贵金属催化剂不同，低价铁面临着一个致命缺陷——缺乏化学性质稳定的起始物料。传统合成方法只能高度依赖钾石墨（KC8）或格氏试剂（RMgX）等强还原剂，对二价或三价铁前驱体进行原位还原。这不仅导致催化体系结构不明确，还极大地限制了反应的官能团兼容性。尽管此前学界曾尝试通过氧化铁羰基化合物或高价铁化合物还原法制备双夹心铁芳烃配合物，但往往因发生歧化反应难以分离得到纯净产物，最终功亏一篑。针对这一痛点，Oliver P. E. Townrow 等人在国际顶尖化学期刊 JACS 上给出了破局之法，课题组成功开发出一种在固态下对空气稳定的单核一价铁夹心配合物 [Fe(durene)2]+（durene = 1,2,4,5-四甲苯）。这是首个稳定的一价铁合成单离子“源头”！作为一种前所未有的稳定前驱体，只需在外加配体的存在下，它就能通过温和、氧化还原中性的配体交换反应，模块化地构建出一系列已知及全新的一价铁化合物，彻底摈弃了对强还原剂的依赖。作为概念验证，团队进一步证实该单离子源可在原位转化为高活性的 Kumada 交叉偶联催化剂。这一突破不仅为低价铁的高通量筛选铺平了道路，更为实现丰产元素催化的工业化应用搭建了一个全新的通用型平台。 图1 工作背景与灵感来源 研究内容 一、合成与表征 针对传统制备方法易过度还原且产物极不稳定的问题，本研究开发了一条选择性合成一价铁单离子源的新路径（图 2）。该路径以二价铁配合物为起始原料，创新性地引入有机还原剂 TMS2Pz* 进行还原，实现了高度专一的单电子还原，即使使用过量还原剂也不会生成零价铁副产物。随后，采用 NaBArF24 的 DCM 饱和溶液引入弱配位阴离子 [BArF24]–，有效稳定了溶液中的低价铁离子中心，并最终以高达 75% 的结晶产率成功制备出可进行数克级规模合成的目标产物 [Fe(durene)2][BArF24] (3Dur)。该合成路线不仅彻底摆脱了对强还原剂的依赖，还赋予了产物前所未有的稳定性：3Dur 可在空气中轻松处理与称量，室温下24小时内无明显氧化迹象，真正实现了实用型一价铁单离子源的高效制备。此外通过多种谱学与磁学表征明确了3的结构（图2）：即 3Dur 呈 S=1/2 低自旋基态；化合物3的芳环间呈交错构象；3Mes 结晶于 P21/c 空间群，其不对称单元中包含一个离子对；3Dur 结晶于 P21/n 空间群，不对称单元中包含两个结晶学不等效但结构相似的离子对以及一当量的氟苯；3Bz* 结晶于P21/c 空间群，含有一当量的二氯甲烷。以上三者之间的铁-芳环质心距离保持一致，且该距离随取代基的增加而变长。电化学分析表明，与强还原性、易活化催化剂配体的传统Fe(I)夹心化合物不同，结构 3 的 Fe+/2+ 氧化电位显著更正，使其显著适合作为稳定的一价铁单离子源。 图 2 [Fe(durene)2][BArF24] (3Dur) 的合成方法，180 K 下通过单晶 X 射线衍射测定的 3Mes、3Dur […]
QuantumATK 低维电子材料与器件合集（七）
基于 WTe2 单层的超灵敏、可回收 FET 型有毒气体传感器 场效应晶体管（FET）型气体传感器因其功耗低、灵敏度高而吸引了大量研究人员的关注。然而，对其传感能力和内在机理的理论探索仍然十分匮乏。本文以单层纯 WTe2 和缺陷 WTe2 为传感平台，利用第一性原理计算和统计热力学模型，系统地研究了 FET 型气体传感器对 SO2、CO、NO、NH3 和 NO2 等多种有害气体的传感特性和工作原理。研究结果表明，基于纯 WTe2 的 FET 型气体传感器在零栅压下工作时，对 NO2 的检测具有极高的灵敏度和重复使用性，在 20 ppb 低浓度下的灵敏度达到 96%。引入 Te 空位是一种高效的策略，可以提高气体传感器对所有测试有毒气体的灵敏度，同时确保其可重复使用性。在基于纯 WTe2 的 FET 型气体传感器上施加栅压可进一步提高其对 NO2 的灵敏度，在整个偏压范围内超过 90%，在 3 V 栅压下达到 97%。本研究为实现 ppb 级浓度有毒气体的超灵敏和可回收检测提供了一种前景广阔的方法。 Journal of Materials Chemistry A, 2024, 12(39): 26951-26961. DOI :10.1039/D4TA02739F 金修饰的黑磷：氮氧化物去除剂和氢传感器 有效检测有毒气体和清洁能源氢气是工业生产和日常生活的迫切需要。本文通过密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，从理论上研究吸附/掺杂金的黑磷单层对六种不同气体（CO、H2、H2S、NO、NO2 和 SO2）的传感特性。计算得出的吸附能、电荷转移、电子局域函数、能带结构和态密度表明，吸附/掺杂金的黑磷对氮氧化物气体表现出敏感的化学吸附。而令人惊讶的是，掺杂金的黑磷对 H2 分子表现出敏感的物理吸附。计算得出的恢复时间和电流电压曲线表明，吸附/掺杂金的黑磷器件是一种超灵敏（灵敏度为 71%-100% ）的氮氧化物分子去除器。更重要的是，掺杂金的黑磷传感器可在室温下实现对 H2 的高灵敏度（灵敏度为 85%）、选择性和可重复使用性（恢复时间为 0.01 ns）检测。本研究结果为吸附/掺杂金的黑磷在气体传感领域的潜在应用提供了理论依据，尤其是在理想的氮氧化物去除剂和 H2 传感器方面。 Applied Surface Science, 2024, 651: Article 159194. DOI:10.1016/j.apsusc.2023.159194. 利用新型二维五边形 Pd2P2SeX（X= O、S、Te）pin 结纳米器件设计高性能场效应、应变/气体传感器：传输特性研究 在现代纳米器件领域，获得高开关性能并在高精度环境中实现传感检测功能至关重要。二维（2D）Pd2P2SeX（X = O、S、Te）具有优异的几何、物理和化学特性，可以结晶成具有间接带隙的正交结构。基于这些基本特性，通过第一性原理对二维 Pd2P2SeX pin 结器件进行建模以模拟场效应晶体管、高开关比应变传感器和基于化学吸附的气体传感器。Pd2P2SeX pin […]
基于缺陷工程与应变调控的金刚石理想中间带光电材料设计
研究背景 随着全球能源需求的持续增长与环境问题的日益严峻，开发高效率光电转换材料成为新能源领域的重要研究方向。传统单结半导体光伏器件受 Shockley–Queisser 极限的限制，其光电转换效率难以进一步提升。为突破这一理论瓶颈，中间带（Intermediate-Band, IB）光电材料被提出，通过在禁带中引入中间能级，使材料能够吸收低能光子，从而显著提高光谱利用率和器件效率。然而，实现理想中间带结构仍面临巨大挑战，尤其是在保证中间带与价带、导带有效分离及适当占据的条件下。 金刚石作为一种典型的宽禁带半导体，具有优异的热导率、化学稳定性和载流子迁移率，是构建高性能光电器件的潜在候选材料。然而，其超宽带隙限制了对可见光的吸收能力。近年来，缺陷工程被广泛用于在半导体中引入中间能级，但单一缺陷调控往往难以实现理想的中间带结构。同时，应变调控（应力工程）作为一种有效的能带调节手段，可进一步调控电子结构与能级分布。 因此，将缺陷工程与应变调控相结合，系统研究其对金刚石中间带形成及光电性能的影响，对于实现高效中间带光电材料具有重要意义，并为新型高效率光伏器件的设计提供理论依据。 研究内容 该研究围绕在金刚石中构建理想中间带光电材料这一目标，系统探讨了缺陷工程与应变调控协同作用对其电子结构的影响。首先，基于第一性原理计算，构建多种含缺陷的金刚石模型，分析其对能带结构和态密度的调控作用，重点考察缺陷在禁带中引入中间能级的能力及其位置分布。 图 1.（a）3 × 3 × 3 超胞中 B-As 共掺杂金刚石的构型（b）3 × 3 × 3 超胞中 B-As 共掺杂金刚石的能带结构（c）2 × 2 × 2 超胞中 B-As 共掺杂金刚石的构型（d）2 × 2 × 2 超胞中 B-As 共掺杂金刚石的能带结构（粉色球代表 B 原子，紫色球代表 As 原子） 在此基础上，进一步引入应变调控，研究外场对中间能级位置、带宽及占据情况的影响。通过系统比较不同缺陷类型与应变条件下的电子结构特征，评估是否满足理想中间带材料的关键要求，即中间带应位于禁带中间、与价带和导带保持有效分离，并具备合适的电子占据状态。 图 2.（a）未受压 C61B2As 的结构示意图和态密度图（b-d）分别为沿 X、Y 和 Z 方向施加 80GPa 单轴应力时 C61B2As 的结构示意图和电子态密度图（箭头表示压缩方向） 进一步，通过计算不同单轴压应力下 C61B2As 的态密度、带隙以及光吸收系数，研究单轴应力对 C61B2As 电子、光学性质的影响。 图 3.（a）沿 Z […]
双原子催化剂解析 CO2RR 生成 C2 产物机制的第一性原理研究
研究背景 电催化 CO2 还原反应（CO2RR）能够在较温和条件下将 CO2 转化为高附加值化学品，是当前碳资源转化与能源化学领域的重要研究方向。其中，乙烯、乙醇等 C2 产物不仅附加值更高，也更能体现催化剂在 C–C 耦合步骤上的调控能力。相比 C1 产物，C2 产物的生成涉及更多中间体和更复杂的反应分叉，因此，如何从原子尺度揭示催化剂结构、反应路径与产物选择性之间的关系，一直是 CO2RR 理论研究中的关键问题。 双原子催化剂由于具有相邻双活性中心和可调电子结构，在促进 CO2 活化、关键中间体稳定以及 C–C 耦合方面展现出独特优势，近年来受到广泛关注。围绕这一方向，相关研究构建了 Co 基双原子氮掺杂石墨烯模型，系统比较不同双原子组合和不同位点构型下的稳定性、反应活性与产物选择性，为高选择性 CO2RR 催化剂设计提供理论依据。 在这类研究中，计算平台的适配性同样十分重要。AMS 软件中的 BAND 模块能够直接处理二维周期体系，适用于石墨烯、氮掺杂碳材料及表面催化模型；同时，结构优化、吸附能计算、溶剂模型、自由能分析以及电荷和轨道相互作用分析可以在同一平台内完成，因此非常适合开展这类涉及构型、吸附、路径、机理等全流程的理论研究。 研究内容 云南大学刘世熙课题组采用 AMS 计算软件中的 BAND 模块，设计了两种构型的 DACs 首先计算了不同构型载体的形成能以及其对金属原子的吸附能，结果表明a构型载体具有更低的形成能，同时对过渡金属原子的吸附能力也更强。此外，通过 Bader 电荷分析、PDOS 及 COOP 计算，进一步验证催化剂中 M1 和 M2 的 3d 轨道与 N 的 2p 轨道之间存在明显的成键作用，从而揭示了催化剂的稳定性。 图1. CoN3-M2N3@NGr-a（a）以及CoN3-M2N3@NGr-s（b）的俯视图；CoN3-M2N3@NGr-a（c）以及CoN3-M2N3@NGr-s（d）的侧视图 采用 BAND […]
基于 WGe2N4 单层的高性能纳米电子器件研究
研究背景 随着信息技术和微电子产业的迅速发展，传统硅基器件在尺寸不断缩小的过程中逐渐面临短沟道效应增强、功耗增加以及散热困难等问题，因此开发具有优异电子输运性能的新型低维材料成为纳米电子学领域的重要研究方向。二维材料由于具有原子级厚度、较高的载流子迁移率以及良好的界面特性，被认为是构建下一代高性能纳米器件的理想候选材料。自石墨烯发现以来，过渡金属硫族化物（TMDs）、黑磷以及多种二维化合物相继被广泛研究，但部分材料仍存在带隙调控困难、稳定性不足或器件性能受限等问题，因此寻找性能更加优异的新型二维材料仍具有重要意义。 近年来提出的 MA2Z4 型二维材料体系为新型纳米电子器件研究提供了新的思路。这类材料通常由过渡金属层与氮化物层构成，具有稳定的层状结构和可调的电子性质。其中，WGe2N4 单层材料由于其独特的晶体结构和良好的电子特性而受到关注。 研究内容 该研究基于第一性原理计算与非平衡格林函数（NEGF）方法，系统研究了 WGe2N4 单层材料的结构稳定性、电子性质以及其在纳米电子器件中的应用性能，重点探索在 pn 结二极管、场效应晶体管（FET）和光电子器件中的潜在应用。 首先，对 WGe2N4 单层材料的晶体结构、力学稳定性及声子性质进行计算分析。结果表明该材料具有良好的热力学和动力学稳定性，同时表现出较高的机械刚性和各向异性的弹性性质，为构建稳定的二维纳米器件提供了基础。 图1. WGe2N4 单层的几何和电子结构：（a）俯视图和侧视图（b）声子谱和元素投影声子态密度（c）在 AIMD 模拟过程中总能量随时间的变化；元素投影能带和投影态密度基于（d）PBE 和（e）HSE06 进一步探究费米能级附近的电子态，对 Γ 点附近导带和价带的能量分布进行分析。发现电子在二维平面具有较好的传播特性，说明材料具有良好的载流子输运潜力。 图2.（a）导带底部和价带顶部在 Γ 点附近的三维视图；（b）和（c）为第一布里渊区的二维投影。颜色刻度表示的数据范围从低（红色）到高（紫色）。 随后，研究构建 WGe2N4 pn 结纳米二极管模型，通过电子输运计算分析其电流-电压特性。结果显示该器件具有明显的整流行为和较高的整流比，表明 WGe2N4 在纳米尺度二极管器件中具有良好的应用潜力。 图3. 基于 WGe2N4 单层的 PN 结二极管（a）原理图（b）偏置相关电流（c）整流比 Rr 曲线（d）差分电导 dI /dV（e）温度依赖性的理想因子 n 曲线，虚线表示理想情况（n = 1） 在此基础上，进一步设计 WGe2N4 基 pin 结场效应晶体管（FET）。计算结果表明，该器件具有优异的开关比、良好的栅极调控能力以及稳定的电子输运特性，能够有效抑制短沟道效应，展现出较好的逻辑器件应用前景。 图4. WGe2N4 单层 pin 结场效应晶体管的（a）原理图，电子传输特性：在（b）0 V 和（c）-0.4 V 的栅极电压下，与偏置相关的电流和整流比曲线（d）在栅极电压范围从 -0.4 V 到 0.4 V 的情况下，当偏置电压为 0.6 V 时的电流特性。 最后，研究还分析了 WGe2N4 单层的光学吸收和光电响应特性。结果表明该材料在可见光区域具有较强吸收能力，并表现出良好的光电导效应，说明其在光电探测器和光电子器件方面也具有潜在应用价值。 图5. WGe2N4 薄层的光电特性（a）光吸收系数（b）光电导率，基于 WGe₂N₄ 单层的 pin 结光电晶体管的（c）示意图（d）在无外加偏压（即无电源供应）的情况下的光电流密度。实线和虚线分别代表由 PBE 和 HSE06 方法获得的结果。插入的光谱图案表示可见光区域。 总结 本文基于第一性原理计算和非平衡格林函数（NEGF）方法，系统研究了 WGe2N4 单层材料的结构稳定性、电子性质及其在纳米器件中的应用潜力。计算结果表明，WGe2N4 单层具有良好的热力学与动力学稳定性，并表现出适中的半导体带隙和良好的电子输运特性。在此基础上，构建了基于 WGe2N4 的 pn 结纳米二极管、pin 结场效应晶体管、pin 结光电场效应晶体管模型，并对器件的性能进行了细致的研究。结果表明，WGe2N4 单层材料在高性能纳米电子器件领域具有重要应用潜力，为二维材料在未来低功耗电子器件中的应用提供了理论参考。 参考文献 Li […]
QuantumATK 磁性与自旋电子学合集（七）
基于 SGS 和 HMM 材料的VSe2/hBN/MnSe2 可重构磁隧道结在偏置电压下的性能分析 磁性隧道结（MTJs）是自旋电子器件的关键部件，其性能受到电极和势垒材料选择的强烈影响。本文利用第一性原理和量子输运模拟研究了基于 VSe2/hBN/MnSe2 异质结的可重构 MTJ。VSe2 作为自旋无带隙半导体，MnSe2 作为半金属铁磁材料，hBN 作为二维隧道势垒。该器件在 -0.5 至 0.5 V 范围内具有类似二极管的反隧道磁阻（TMR）效应。在 -0.5 V时 TMR 最大值为 2060.01%，而在 +0.5 V 时 TMR 最大值为 -79.11%。零偏置空位分析表明，Mn 位缺陷将 TMR 抑制至 -100.00%，而 V 空位缺陷对 TMR 的影响较小为 -37.81%。将自旋无带隙半导体和半金属铁磁电极与范德华势垒相结合，增强了自旋滤波、可调性和多功能输运，使该设计有望用于节能自旋电子存储器和逻辑应用。（Physica B-condensed Matter, 2025, 717: 417806. DOI:10.1016/j.physb.2025.417806） 磁性隧道结中由共振隧穿驱动的自旋扭矩增强：基于 DFT-NEGF 的模拟研究 通过在磁性隧道结（MTJ）中利用量子阱（qw-MTJ）的共振隧穿效应并采用非磁性金属间隔层（钨），探索磁性隧道结效率的潜在提升。利用非平衡格林函数形式结合密度泛函理论，计算并分析具有不同间隔层宽度的三种不同结构的导电性，并将其与不含量子阱的对照结构（0-W）进行比较。通过采用这种新颖的结构实现隧道磁阻的显著增强，从 0-W MTJ 的 1420% 提升至三钨层（3-W）qw-MTJ 的 9900%，同时电阻面积乘积降低了 60%，表明电流密度有了显著提升。此外，对自旋转移矩（STT）的计算表明，其数值相较于对照器件有了显著增加，随着钨层宽度的增加，STT 值也相应上升，从传统 MTJ 的 6μeV/V 增加到 3-W qw-MTJ 的 470μeV/V。此外，用于切换的临界电压从 0 层 t-MTJ 的 137 mV 显著降低至 3 层量子阱 MTJ 的 2.02 mV（降低了 70%），而临界电流则基本保持不变。这也导致临界切换功率大幅降低，从 38.36 pW 降至 0.66 pW（降低了 60%）。（Journal of Applied Physics, 2025, 138(12). […]
不同电解液体系对锂离子电池热失控管理影响的实验研究及分子反应机理
研究背景 锂离子电池因高能量密度被广泛应用，但其热失控问题日益突出，严重威胁使用安全。热失控过程涉及电解液分解、链式反应及气体释放等多阶段复杂反应，不同电解质体系和锂盐添加剂对热行为的影响机制尚不明确。传统实验方法难以揭示微观反应路径和自由基演化规律。因此，亟需结合实验与模拟手段，系统研究电解质组成及 LiPF6 浓度对热失控的调控机制，为提升电池热安全管理提供理论依据。 研究方法 本研究选取三种不同电解液体系的软包磷酸铁锂电池，通过加速量热仪进行 3C 过充实验，分析热失控过程中的温度分布和气体组成。采用 ReaxFF-MD 模拟不同 EC/DEC/DMC 配比及LiPF6浓度（0%、5%、10%）下的电解液燃烧过程，追踪反应物、中间产物及自由基演化，识别关键基元反应路径。结合 DFT 计算电解液分子及络合物的静电势、前线轨道能级和弱相互作用，从电子层面揭示不同组分对热失控链反应的调控机制。 图1 电解质分子反应系综 图2 DFT 分析：(a) 不同电解质与 LiPF6 的静电势；(b) 不同电解质、LiPF6 及其配合物的 HOMO-LUMO 轨道；(c) 关键基元反应的反应速率；(d) 分子反应动力学中关键基元反应的电荷分布；(e) 配合物的 IRI 弱相互作用 主要研究结论 本研究揭示了不同电解质体系及 LiPF6 浓度对锂离子电池热失控行为的调控机制。实验结果表明， LF653465 电池热失控发展最快（仅 600.5 s 达到峰值温度），而 LF5820117 电池热稳定性相对较高。气体分析显示，热失控后主要产生 CO、CO2、H2、CH4、C2H4 等气体，其比例差异反映了不同溶剂的分解路径特征。 基于 AMS 软件的 ReaxFF-MD 模拟发现，纯 EC 体系主要通过碳酸酯环开环引发链反应（R4: C3H4O3 = C2H4 + CO3），能垒为 0.1637 […]
锂离子电池过充电条件下的热失控行为及微观反应机理
研究背景 软包锂电池因其轻量化、高能量密度等特点被广泛应用于新能源领域，但在过充等滥用条件下易发生热失控，引发火灾或爆炸，严重威胁使用安全。现有研究多集中于宏观热行为，缺乏对电解液微观分解机制及电池材料热稳定性的深入理解。尤其是不同正极材料（如 NCM 和 LFP）在热失控过程中的气体生成、温度演化及反应路径差异尚不明确。因此，亟需结合实验与微观模拟手段，揭示软包电池过充热失控的微观反应机理，为电池安全设计提供理论支撑。 研究方法 本研究以 NCM 和 LFP 两种软包锂电池为对象，通过 2C 过充实验，结合加速量热仪与气相色谱分析，研究其热失控过程中的质量损失、温度演化及气体组成。在此基础上，采用反应力场分子动力学模拟六种电解液体系的热解过程，分析反应物、中间产物及终产物的演化规律，识别关键基元反应路径。同时，结合密度泛函理论计算电解液分子的静电势、前线轨道能级及电荷密度分布，从电子层面揭示不同溶剂分子的结构稳定性与反应活性。 图1 ReaxFF 反应体系初始构型 图2 反应路径分析 主要研究结论 本研究揭示了 NCM 与 LFP 软包锂电池在过充条件下的热失控行为及微观反应机制。实验结果表明，两种电池在过充后均经历温度持续上升、加速、达到峰值及结构破坏的过程，最终释放以 CO2、CO、H2 为主的混合气体。NCM 电池热失控峰值温度达 825 K，发生起火，质量损失达 54.99 g；LFP电池峰值温度仅 574 K，仅发生失效而未起火，质量损失为 21.45 g，表明LFP正极材料具有更高的热稳定性。 使用 AMS 软件中的 ReaxFF-MD 模拟结果显示，EC 分子最早完成分解，LiPF6 的加入延缓了各溶剂的分解时间；EMC显著延长DMC的分解时间，并提高体系氧消耗率，可能是驱动剧烈氧化反应的关键组分。DMC 在所有体系中分解最晚，热稳定性最高。DEC 的加入对反应路径影响有限，但促进了 C2H5 等自由基的生成。LiPF6 对整体反应路径影响较小，路径比例变化低于 10%。中间产物均呈现“生成—积累—消耗”趋势，C2H4 主要源于 EC/DMC 体系，C2H5 仅出现在含 DEC 体系中。 使用 […]