Stone-Wales拓扑缺陷增强石墨烯/金属界面的键合与电子耦合(ACS Nano 2022)

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摘要 缺陷对材料的功能和性能起着至关重要的作用,但经常缺乏对相关作用的理解。缺陷的浓度通常较低,使得理论研究往往较为困难,其中突出的例子是石墨烯等二维材料的拓扑缺陷。基于石墨烯的(光)电子器件的性能主要取决于接触电极的石墨烯/金属界面特性。这种界面特性,与石墨烯中普遍存在的拓扑缺陷的相关性问题,具有很大的现实意义,但目前还无法回答。 德国马尔堡-菲利普大学J. Michael Gottfried教授与吉森大学André Schirmeisen教授等课题组,将基于AMS软件BAND模块独有的周期性体系键能分解pEDA,以及描述化学键形成导致电荷转移情况的化学价自然轨道(NOCV)方法,结合分子模型系统的实验研究相结合,对Stone-Wales拓扑缺陷进行了研究。 研究表明,与常规石墨烯相比,嵌入的缺陷与铜表面之间的键合、电子转移得到显著增强。这些发现通过分子模型得到了实验证实,其中S-W缺陷以天青烯代表,理想的石墨烯结构使用其异构体芘代表。实验相互作用能、电子结构分析和吸附距离的差异,定量地证实了缺陷对键合的控制。 该研究揭示了缺陷对石墨烯/金属界面电子耦合的重要作用,并表明拓扑缺陷工程在性能控制方面的潜在应用价值。 参考文献 Topological Stone–Wales Defects Enhance Bonding and Electronic Coupling at the Graphene/Metal Interface, Benedikt P. KleinAlexander IhleStefan R. KachelLukas RuppenthalSamuel J. HallLars SattlerSebastian M. WeberJan HerritschAndrea JaegermannDaniel EbelingReinhard J. MaurerGerhard HiltRalf Tonner-ZechAndré Schirmeisen*J. Michael Gottfried*, ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.2c01952

稀土掺杂单层二硫化钨的电子和光学性质【QuantumATK亮点文章】

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概述 此项研究了计算了含钬取代杂质(HoW)单层二硫化钨(WS2)的电学和光学性质。虽然 Ho 比 W 大得多,但使用包括自旋-轨道耦合的密度泛函理论(DFT)表明 Ho:SL WS2 是稳定的。自旋分辨 DFT 计算给出 Ho 杂质的磁矩为 4.75µB。在光谱中识别出的光学选择规则与用群论推导的光学选择规则完全匹配。中性杂质的存在导致了带结构中具有f轨道特征的局域杂质态(LIS)。利用 Kubo-Greenwood 公式计算得到的光学响应 χ‖ 和 χ⊥ 的平面内和平面外分量中获得了类似原子的尖锐跃迁,光学谐振峰与实验数据吻合良好。 研究内容 图1.(a)8×8×1 SL WS2 超胞中 HoW 杂质示意图。(b)本征 SL WS2 的能带和态密度,显示面内带隙 1.6 eV,面外带隙3.2 eV。 价带边缘由于自旋轨道耦合(SOC)发生了大小为 433 meV 的劈裂。DOS 中的灰色区域为总态密度,红线为 W 的 d 轨道;蓝线为 S 的 p 轨道,黑线为二者之和。(c)本征 WS2 的光学响应,显示了面内和面外的带隙。 图2. HoW 掺杂的 8×8×1 WS2 超胞的能带和态密度。灰色区域为总态密度,彩色曲线为态密度投影(蓝:Ho 原子的f轨道;绿:邻近 S 原子的 p 轨道;红:次紧邻 W 原子的 […]

利用机器学习原子间势实现单层MoS2–WS2合金的热性能模拟【QuantumATK亮点文章】

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背景 二维量子材料有望改变传统电子学,实现涵盖化学科学的广泛应用。为了研究单层(1L)或多层过渡金属二卤化物(TMD)中的热输运,作者探索了密度泛函理论(DFT)和训练算法的结合,生成了模拟 1L-MoS2、1L-WS2 及其合金(混合结构)的矩张量势(MTP)力场,并展示了理论技术的协同将在该领域发挥重要作用。从高性能计算的角度来看,所产生的非常方便的原子间势(或分子间势),可用于预测量子材料对热扰动或其他驱动力的响应。 研究内容 作者将数百个来自原子位置微扰和分子动力学轨迹的单层结构作为训练集用于 MTP 力场的训练,对比了用所得到的 MTP 力场计算的声子性质与 DFT 和 SW 力场计算的结果。训练得到的 MTP 力场很好的描述了体系的振动特性及其热导率。 图:多种方法得到的声子谱对比。 图:多种方法计算得到的特定声子振动模式频率随组分的变化。 作者将得到的 MTP 力场用于晶格声子热导率的计算,对比了非平衡分子动力学(NEMD)和非平衡格林函数(NEGF)两种方法的结果。 图:将 MTP 机器学习力场用于NEMD和NEGF方法的热导率计算。 结论 作者的结果表明,机器学习的 MTP 力场可以准确地再现原始和合金 1L TMD 的声子结构和热传输特性。1L-MoxW1-xS2 合金结构在不同浓度下具有独特的声子谱特征,但观察到的热传输特性对组分的依赖性非常低,这使得通过混合不同原子种类来设计类似材料的热传输特性成为可能。此外,2D 合金结构对硫空位不敏感,热导率几乎不受硫空位的影响,这一行为可能有助于微调材料的热性能,以用于热管理和能量存储和转换应用。这也提示我们可以不依赖于获得无缺陷晶体材料的昂贵技术来制造器件。最后,模拟精度在更大程度上取决于参考 DFT 方法和训练集,因此,对于实际模拟体系来说,可以不需要计算成本高、冗长的优化步骤,就能获得合理的结果。 参考 Juan M. Marmolejo-Tejada et al. Thermal properties of single-layer MoS2–WS2 alloys enabled by machine-learned interatomic potentials. Chem. Commun., 2022, 58, 6902–6905. https://doi.org/10.1039/D2CC02519A更多信息:机器学习力场ML-MTPs与流程自动化新兴的低维电子材料研究

超薄砷化镓晶体管的性能极限【QuantumATK亮点文章】

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背景 晶体管的尺寸微缩是推动微电子电路发展的关键。然而,由于严重的短沟道效应,传统硅基晶体管正在接近其物理极限。当栅极长度小于 10 纳米时,实验制备的硅基晶体管的已经不能满足国际半导体技术发展路线图(ITRS)的开电流标准。为了延续摩尔定律,目前主流的一种解决方案是将沟道替换为更高迁移率的材料。其中,III-V 化合物半导体有着比硅更高的电子迁移率和电子注入速度,被认为是硅的有力继任者。而砷化镓(GaAs)因其具有良好的n型和p型器件性能,在一系列 III-V 半导体中脱颖而出。为了尽可能延长摩尔定律的寿命,探索n型和p型GaAs晶体管的性能极限十分必要。 研究内容 具有较薄沟道的晶体管可以进一步增强栅极控制力和对短沟道效应的免疫力。单层氢化 GaAs(ML GaAsH2)是超薄 GaAs 的极限形式,因此,模拟 ML GaAsH2 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)可以给出超薄 GaAs FET 的性能上限。本文报道了作者对 n 型和 p 型双栅 ML GaAsH2 MOSFET 的第一性原理与量子输运模拟研究。作者引入 underlap 结构,得到了器件从5纳米栅长一直微缩至 1 纳米的转移特性。 图1 (a) ML GaAsH2 结构图。(b、c) ML GaAs 和 ML GaAsH2 的能带结构。(d) 双栅 ML GaAsH2 MOSFET 的示意图。(e) 5 纳米栅长的转移特性曲线 作者发现,n 和 p 型ML GaAsH2 晶体管的性能极限分别位于 3(4)和3(5)nm 栅长处。与其他模拟工作中的典型二维器件进行横向对比,只有 ML GaAsH2 器件的开电流在亚 5 纳米栅长范围内,可以同时满足NMOS、PMOS 在高性能、低功耗应用下的 ITRS […]

传感器材料与器件的模拟【QuantumATK亮点文章】

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基于高导电碳纳米管/聚氨酯复合纤维的可穿戴式应变传感器 高导电性和可伸缩性纤维因其在柔性可穿戴电子设备中的潜在应用而受到越来越多的关注。羧基化碳纳米管(c-CNT)被涂覆在柔性纤维上,作为制造可穿戴式应变传感器的方便方法。然而,由于碳纳米管的石墨化结构在羧化过程中被破坏,碳纳米管的导电性降低。如何让 c-CNT 复合纤维具有高导电性仍然是一个重大挑战。此研究通过在聚氨酯(PU)纤维上涂覆金属离子连接的 c-CNT 来制备高导电纤维,以提高 c-CNT 之间的电子传输速率。由 Fe2+ 离子和羧基形成的金属配位结显著提高了 PU 的导电性 /CNT@Fe2+ 纤维(高达 72 S m−1). 密度泛函理论计算证明,这种高导电性是具有强电子态耦合的配位结促进电子输运的结果。由此产生的配位效应增强了碳纳米管之间的相互作用,使导电网络更加灵活。基于聚氨酯的应变传感器/CNT@Fe2+ 纤维具有高灵敏度(50% 应变下的规范系数为 36)、大应变范围、不明显的漂移和耐久性。纤维应变传感器成功地用于监测关节运动和面部表情。【Zaiyu Zhuang, et al. Nanotechnology 31 (2020) 205701】 应变和电场作用下小分子在GeP单分子膜上的可调吸附行为 作者使用第一性原理计算方法研究了 GeP 单层膜对小气体分子(CO、CO2、O2、H2O、NH3、NO 和NO2)的传感特性。根据计算的吸附距离、吸附能和电荷转移,作者发现 GeP 单层膜对 NO2 和 NO 分子最敏感,所有气体分子都作为受体从 GeP 单层膜中获得电子。NO2 分子的吸附能小于 NO 分子的吸附能,这意味着 NO2 更容易从 GeP 中解吸。不同的功函数变化也表明了在无氧环境中识别 NO2 和 NO 的可能性。此外,作者将单轴和双轴应变应用于 GeP 单层膜,发现较小的双轴压缩应变可以有效地提高基于功函数型传感器的 GeP 对 […]

QuantumATK亮点文章:具有可调载流子输运和电子特性以及高电流开关比的二维GeC2

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概述 二维材料中大部分都具有优异的电学和光学性能,这使得它们在纳米电子学、光电子学和热电学等各种各样的应用场景下具有很大的潜力,但是性能仍然需要优化。例如,硅烯和锗带隙太小(带隙值<0.1 eV)难以实现晶体管的电流开关。MoS2 具有理想的带隙,但其较低的迁移率限制了其在某些器件中的应用。磷烯不仅具有理想的带隙,而且拥有高各向异性载流子迁移率,但其在空气中易氧化的特性是器件应用中的主要限制。 研究者仍需继续努力探索具有合适带隙、高载流子迁移率和高稳定性的新型二维半导体材料,并通过应变工程、多层堆叠等技术来改善现有二维半导体材料的电子特性。应变工程是调整二维材料电子特性的一种常用技术,因为二维材料本身可以承受比其块体材料更大的机械应变,这就拓宽了它们在纳米电子和光电器件中的应用。多层堆叠是调节二维材料特性的另一种策略,可以产生新的电子器件,因为许多二维材料的带隙大小变化很大程度上取决于层数。 在众多电子器件中,具有负微分电导效应的二维材料非常受欢迎。目前,大多数具有负微分电导效应的二维材料主要还是范德华异质结。然而,由于异质结的层间隧穿效率有限,想要实现高峰值电流仍然面临诸多挑战。因此,能产生负微分电导效应的单层二维材料也是有前途的。常州大学徐月华副教授课题组和美国内布拉斯加州立大学林肯分校的 Xiao Cheng Zeng 教授合作,以密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法,研究了基于二维 tetrahex-GeC2 器件的电输运特性。该研究结果为基于负微分电导效应构建的器件提供了新选择。 材料结构与性质 tetrahex-GeC2 表现出高各向异性载流子迁移率和热力学稳定性。单层和双层 tetrahex-GeC2 的带隙分别为0.89 eV 和 0.32 eV,两者都属于直接带隙半导体。二维单层 tetrahex-GeC2 沿着 a(b) 方向 4% (-4%) 单轴拉伸(压缩)应变下,带隙可以调控到理想的 1.26 eV (1.32 eV),并且电子(空穴)有效质量保持稳定,约为 0.23 me (0.83 me)。双层tetrahex-GeC2沿着 a(b) 方向 4% (-4%) 单轴拉伸(压缩)应变下,带隙可以调控到 0.75 eV (0.92 eV),而且,在 a 方向 -1% ~ 4% 和 b 方向 -4% ~ 1% 单轴应变范围内,电子有效质量几乎保持不变,大小分别约为 0.19 me 和 […]

【QuantumATK亮点文章】表面电荷和非理想接触对动态p-n结电荷泵浦性能的影响

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概述 传统的摩擦纳米发电机只产生位移电流,使得该器件具有很大的内电阻,从而影响了它的实际应用。而化学势泵浦型摩擦纳米发电机利用两个半导体电极对之间的化学势差在电极对接触-分离运动过程中将电子从化学势高的半导体泵浦到化学势低的半导体,使得该型发电机即产生位移电流,又产生传导电流,因此具有较低的内电阻。然而在之前的实验中发现该发电机实际输出的电荷量比理论预测的电荷量低3-4个数量级。基于以上问题,武汉理工大学的邓硕副研究员与英国斯旺西大学的李立杰教授,美国佐治亚理工学院的王中林院士,以及新加坡南洋理工大学的张青教授合作,以第一性原理结合非平衡格林函数的方法分析了电子在两个半导体电极间的输运过程。研究发现在同一偏压下非理想接触时器件的电流强度要明显的低于理想接触,并且在局域态密度中电极接触面处出现了一个明显的电子密度谷,证明了非理想接触阻碍了电子在两个半导体电极间的传输。在电极对分离时,半导体内的耗尽层宽度迅速减小,但接触面附近的电子差分密度几乎不随分开距离的增大而改变,说明表面态引起的电子势垒将伴随整个电极运动过程。该研究结果为后期化学势泵浦型摩擦纳米发电机的优化指明了方向。 研究内容 作者以硅(100)面为起点,首先对硅表面进行了结构优化与态密度计算。发现优化后硅表面出现了非对称二聚重构。由投影态密度结果可知其导带最低点和价带最高点的态密度主要来自于第一层和第二层硅原子的作用。 在非理想接触情况下,相较于理想接触,同一偏压下的电流输出大幅减小,耗尽层宽度明显缩短,说明非理想接触阻碍了 p-n 结界面处电子的累积与传输。在局域态密度结果中,我们发现非理想接触时在接触面处出现了一个明显的电子密度谷,再一次证明了非理想接触对器件输运性能的影响。 由不同掺杂浓度下的电子势分布和电子密度分布结果可知,由于表面电荷的存在使得在接触面附近出现了一个明显的势垒。这是影响电子在 p-n 结界面处输运过程的又一重要因素。 当将两个半导体电极拉开 30 埃以后,发现耗尽层长度迅速缩短。说明耗尽层处所储存的电量对两个电极间的分开距离极为敏感。在分开距离由 0 到 180 埃变化的过程中,我们发现表面态引起的表面势垒将伴随着整个电极运动过程,这说明表面势垒对电子输运性能的影响伴随整个器件工作周期当中。 随着分离距离的增加,输出电荷量迅速降低。在分开距离为 30 埃时,耗尽层中 68% 的电荷就已被泵浦到外电路中。这说明该器件对电极分离距离极为敏感。因此,也预示着该器件在高频振动和微位移传感领域同样具有广阔的应用前景。 本文利用 QuantumATK 软件,研究了 p-n 结接触程度与表面态对化学势泵浦型摩擦纳米发电机输出性能的影响。发现表面电荷将显著影响接触面附近的电荷浓度分布以及电子势分布,阻碍电子和空穴在接触面处的传输过程。在分开距离为 30 埃时,该器件的电子泵浦效率可达到68%,预示着在高频和微位移领域该器件同样具有广阔的应用前景。 参考文献 Shuo Deng, Ran Xu, Min Li, Lijie Li, Zhong Lin Wang and Qing Zhang*, “Influences of surface charges and gap width between p-type and n-type […]

【QuantumATK亮点文章】电场诱导双层扭转石墨烯光谱变化

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研究内容 近年来,双层转角石墨烯受到了广泛关注,双层石墨烯发生相对旋转后,产生莫尔超晶格。旋转角度不同可以调控双层石墨烯的光电特性,除此之外,也可以通过像外电场这种外部条件来调控双层转角石墨烯的光电特性。 图1.电场下双层转角石墨烯、能带结构 作者用第一性原理方法,对外电场诱导双层转角石墨烯在中红外的电子结构和光学性质进行了理论计算。通过理论研究,发现外加电场在一定程度上使得导带和价带的相对位置发生变化。电场强度的变化能带导致导带和价带穿过费米能级,导致吸收光谱产生明显的变化。 图2.XX方向与YY方向的吸收光谱 此外,中红外区域几个特殊位置(1490 nm、1550 nm 和2442 nm)附近的介电函数对外电场的调节非常敏感。1550nm附近的介电函数表现出一定的等离基元特性,这将有助于设计新的光通信调制器和光学器件。电场控制的近红外等离子体激元可以用来增强相应的近红外荧光和长波激发拉曼光谱。 图3.XX方向介电函数 图4.YY方向介电函数 参考文献 Jizhe Song(宋继哲), Zhongyuan Zhang(张中元), Naixing Feng* (冯乃兴)and Jingang Wang*(王金刚)Electric Field Induced Twisted Bilayer Graphene Infrared Plasmon Spectrum. Nanomaterials 2021, 11(9), 2433

【QuantumATK亮点文章】二维材料光吸收和光伏效应的层数依赖关系研究

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概述 光电探测器可以把光信号转化成电信号,在航天、航空、国防、科技和工农业生产等领域有着广泛的应用。近来,二维材料这一类新型纳米尺度半导体和以此发展起来的具有颠覆性意义的光电探测技术,由于其本身具有与光相互左右强、带隙种类繁多、载流子迁移率较高以及易于外加电场调节等性质,使得在探测器响应度(R),外量子效率(EQE), 灵敏度,近零暗电流以及极端环境工作稳定性等属性上都超越了传统薄膜器件的理论极限,是下一代光电探测的有力竞争者。相比于光电导型光电探测器,光伏型由于基于 p-n 结等含有内建电场的器件结构,具有自发导通、极低暗电流以及响应时间快等优势。   二维材料的光吸收系数(如石墨烯,过渡态金属二硫化物(TMDs)等)一般比体材要高一个数量级。比如在可见光(1 eV—2.5 eV)光子能量范围内,单层(ML)二硫化钼的吸收系数可以达到 5%—10% (<1nm 厚度),相当于 50 nm 厚硅体材的效果。另一方面,二维材料如 B2O2X(X=S,Se,Te)具有较高的载流子迁移率(450 cm2V-1s-1),相应的光电导器件 R 可以达到3.5×104 A/W, 而且其电子属性和光电子属性极佳。与此同时,实验合成厚度可控的大尺度 B2O2X 材料也得以实现,但目前还没有其光伏器件性能的理论或者实验探究。 本文(Phys.Rev.Applied, 2021, 15, 064037)报道了作者对 B2O2X(X=S,Se,Te)材料及其光伏器件性能的第一性原理与量子输运模拟研究,所使用的器件构型为 pn 结。 材料性质研究 作者用 HSE06 杂化泛函计算了材料的能带结构,对不同的 X (S, Se 和Te) , 能隙分别是 1.49 eV(S),0.95 eV(Se) 和 0.25 eV(Te) . 与之前的报道吻合。 在吸光系数研究方面,作者测试了分别使用单电子近似、TD-DFT 以及 GW BSE(Bethe-Salpeter Equation)三种不同计算方法得到的吸收系数的图谱的差异。从下图中可以看出,尽管 GW BSE […]

《Physics Reports》长篇综述:亚10纳米二维晶体管

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背景 场效应晶体管被公认为上世纪最重要的发明之一。基于互补金属氧化物半导体(CMOS)场效应晶体管的大规模集成电路是信息时代的基石。在过去的半个多世纪,遵循摩尔定律,FET的尺寸不断缩小,芯片上FET数量得以不断增加,芯片功能日趋多元化。如今,市场上的硅基晶体管尺寸已经降至18 nm栅长。由于受到短沟道效应的影响,继续缩短栅长,器件性能会大幅度下降,这引发了半导体业界对于摩尔定律失效的担忧。相比于三维体材料,二维半导体具有良好的静电控制能力(体现在极小的特征长度λ)和载流子传输能力(图 1)。基于二维半导体沟道的晶体管有可能在避免器件性能明显下降的前提下,将栅极长度缩小到10纳米以下。许多亚10纳米栅极长度的晶体管在实验室中已经制造出来了。其中,二维晶体管显示出巨大的技术潜力,可以很好地工作。国际半导体技术发展路线图(ITRS)及其继承者国际器件与系统路线图(IRDS)把二维材料列为替代硅的潜在沟道材料。 实验制备亚10 nm栅长的二维晶体管是一项极具挑战的工作,而理论上预测可剥离的二维材料种类高达千余种。因此,需要找到精确且不依赖参数的理论工具评估二维晶体管的性能。基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法相结合的第一性原理量子输运模拟可以严格计算原子间的跃迁矩阵元,无需人为设置参数;利用它来评估亚10 nm二维晶体管性能,可以在极大节约研发成本的同时保持较高的预测精度。 研究工作 北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室吕劲研究员课题组系统地发展了按照ITRS和IRDS标准采用原子级上无参数的第一性原理量子输运模拟精确评估二维半导体晶体管性能的研究范式,相关系列研究成果发表于《物理评论应用》(Physical Review Applied 14: 024016 (2020); 10: 24022 (2018))、《纳米尺度》(Nanoscale 11: 532 (2019))、《美国化学会▪应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interfaces 9: 3959 (2017))、《材料化学》(Chemistry of Materials 29: 2191 (2017))、《先进电子材料》(Advanced Electronic Materials, 2: 1600191 (2016))、《纳米快报》(Nano Letters 12: 113 (2012))、《亚洲材料》(NPG Asia Materials 4: e6 (2012))等。前不久,课题组与中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室、北京邮电大学、北京大学深圳研究生院等单位合作,应邀在《物理进展报道》(Reports on Progress in Physics 84: 056501 (2021))发表长篇综述介绍了二维晶体管界面肖特基势垒的研究进展。 近日,吕劲课题组与北京邮电大学理学院雷鸣教授、北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授等合作者再次受邀撰写题为“亚10 nm二维场效应晶体管:理论与实验”(Sub-10 […]