新的低成本 Meta-GGA 泛函计算获得正确带隙(Phys Rev Mater. 2023)

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摘要 对于新材料的发现,准确快速地预测带隙非常重要,密度泛函 LDA 和 GGA 虽然效率很高,但是系统性地倾向于低估带隙,其根本原因在于忽略了 ∆xc 导数的不连续性问题。带隙的可靠预测,通常需要求助于计算上更昂贵的杂化泛函,或超越 DFT 方法如 GW 计算。不过对材料筛选或大型复杂体系,这些方法通常在时间成本上无法承受。 最近的一项研究中,研究人员发现 Meta-GGA 中的 TASK 泛函[1](AMS2023 以后的版本包含该泛函)可以相当好地兼顾精度和计算速度[2]。Kohn-Sham 和广义 Kohn-Sam 计算结果比较表明, TASK 来自正确的理论,即,适当结合 Kohn Sham 间隙 ∆KS 和 ∆xc 导数不连续性的贡献,能够得到正确的带隙。即使对于卤化物钙钛矿等复杂材料,TASK 也预测出类似于混合 HSE[3] 的带隙,但值得注意的是,TASK 的效率却不是 HSE 能比的。在其他设置相同的情况下进行带隙计算,数值稳定的 Meta-GGA TASK 的效率通常是 GGA 的1/3,但比杂化泛函快 20-30 倍。 Meta-GGA TASK 可直接在 AMS 中的 Libxc 中调用。另外,与其他 Meta-GGA 不同,TASK 对原子径向网格的密度要求比其他 Meta-GGA 低。此外,虽然带隙通常使用广义 Kohn-Sham 计算,但 […]

新型二维材料 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 亚5纳米门长晶体管的性能极限(Phys. Rev. Appl. 2023)

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简介 构建互补金属氧化物半导体(CMOS)器件需要 n 型和 p 型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)。但在超短栅长情况下寻找一种 n 型掺杂和 p 型掺杂同时满足国际半导体技术路线图(ITRS)标准的沟道材料仍然是一个挑战。最近合成的二维晶体 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 具有较高的空穴和电子载流子迁移率,为这一问题提供了可能的解决方案 [Science, 2020, 369 (6504), 670-674]。北京大学物理学院吕劲课题组使用第一性原理密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法,探讨了双栅单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ MOSFETs 在亚 5 nm 栅长下的性能极限 [Phys. Rev. Appl., 2023, 20 (6), 064044]。这项研究显示,n型和p型双栅单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ MOSFETs 可将满足ITRS高性能(HP)标准的门长尺寸缩短为 3 nm,开态电流高度对称。在功耗延迟积(PDP)与延迟时间($\tau$)的多目标优化 Pareto 边界分析中,n 型单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 晶体管处于典型二维材料中最优平衡的 Pareto 边界上。显示了单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 作为下一代 CMOS 器件沟道材料的潜力。考虑温度和无序的影响,模拟结果仍然适用。该项工作于今年12月发表在 Physical Review Applied 上,北京大学物理学院博士生黎颖为第一作者,北京大学物理学院吕劲研究员和洛阳师范学院化学化工学院副教授、哈佛大学 John A. Paulson 工程与应用科学学院访问学者孙晓甜为共同通讯作者。 研究内容 本研究通过掺杂浓度和欠叠层结构对亚 5 nm […]

范德华多铁隧道结中面向存算一体的磁电协同控制多级导电态(Nanoscale 2024)

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研究简介 范德华多铁隧道结有望实现小型化、高密度和非易失性存储,在下一代数据存储和存算一体器件中具有巨大应用潜力。福州大学材料科学与工程学院萨百晟课题组联合北京航空航天大学和华中科技大学,采用结合密度泛函理论与非平衡格林函数结合的计算方法,模拟了由铁磁半金属材料 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ 作为自旋过滤势垒,金属材料 $\mathrm{Ti}\mathrm{Te}_2$ 作为电极,铁电材料 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒组成的范德华多铁隧道结器件的自旋输运性质。器件采用双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒时可以同时实现显著的隧道磁阻和隧道电阻效应,在非零偏压下,最大隧道磁阻和电阻比率分别可达6237%和1771%。进一步发现在该多铁隧道结内存在四种可区分的电导状态,即仅需一个多铁隧道结单元就可实现四态非易失性数据存储。且通过等效的磁、电开关可以分别控制器件电流的通断和大小,通过搭建多铁隧道结阵列可同时实现逻辑计算和多级数据存储。这些研究结果揭示了该隧道结在存算一体以及多级数据存储器件中的潜在应用。福州大学材料科学与工程学院博士研究生崔舟为第一作者。该研究得到了国家重点研发计划与国家自然科学基金的资助支持。 研究内容 利用QuantumATK软件,以单层铁电材料 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为势垒层,具有金属性质的 $\mathrm{Ti}\mathrm{Te}_2$ 作为电极材料,搭建了如图1所示的器件模型,图1(a)和(b)中显示了 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 的两种不同极化方向的情况,在考虑铁磁层磁矩的方向后,单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件理论上可以实现四种导电状态。图1(c-f),进一步计算了器件不同状态下的透射系数曲线和费米面处的透射谱,并且统计了各种状态下的费米面出的隧穿磁阻率和隧穿电阻率。对于单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件最大可以实现448%隧穿磁阻率,但是其最大的隧穿电阻率仅有30%。 图1 单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在(a)FE-R-1IS和(b)FE-L-1IS状态下的结构示意图。(c)FE-R-1IS和(d)FE-L-1IS状态下多铁隧道结自旋分辨的零偏压透射系数曲线。(e)FE-R-1IS和(f)FE-L-1IS态下多铁隧道结自旋分辨的透射谱。 将单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 势垒层替换为双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 后,如图 2 所示,不同状态下的透射系数曲线和费米面处的透射谱具有更明显的差异。对于双层$\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件可以实现最大的隧穿磁阻率为5698%,最大隧穿电阻率为1771%。从费米能级处的透射谱可以得知,高的隧穿磁阻率和隧穿电阻率主要是由于平行磁阻态下的自旋向上电子的透射能力具有显著差异。 图2 双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在(a)AFE-T-2IS,(b)AFE-H-2IS,(c)FE-R-2IS和(d)FE-L-2IS状态下的结构示意图。(e)AFE-T-2IS,(f)AFE-H-2IS,(g)FE-R-2IS和(h)FE-L-2IS态下多铁隧道结自旋分辨的零偏压透射系数曲线。(i)AFE-T-2IS,(j)AFE-H-2IS,(k)FE-R-2IS和(l)FE-L-2IS态下多铁隧道结自旋分辨的透射谱。 为了进一步探究这种差异的原因,计算了双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在各种状态下 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ 和 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 层的态密度。从图3中可知,由于受到 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ 铁磁层的影响,$\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 层在费米面处产生了新的态密度,这是造成器件导电能力不同的主要原因。最后本文阐述了器件可能应用的方向。双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件的八个导电状态可以简并为如图4(a)所示的四种可显著分辨的导电状态,仅用两个隧道结单元就可以实现十六种存储状态,用于多态存储,如图4(b)所示。另外,可以将一个隧道结单元等效成为一个磁电开关,用磁场开关控制电路的通断,电场开关控制电流的大小,如图4(c)所示。将多个隧道结单元排列成如图4(d)所示的 N×N 阵列,在输入端加一系列电压,根据基尔霍夫定律和欧姆定律,在输出端可以得到一系列电流,从而完成一次乘法累加运算。由于每个多铁隧道结本身具有数据存储的能力,这样就可以将“存”和“算”集成在同一器件单元上,实现存算一体。 图3 双层 $\mathrm{In}2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在(a)AFE-T-2IS,(b)AFE-H-2IS,(c)FE-R-2IS和(d)FE-L-2IS状态下各个 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ […]

铁电调控的双向光响应器件:基于Van der Waals α-In2Se3/NbX2(X = S, Se和Te)铁电二极管

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简介 双向光电探测器是指在外部刺激下,其光电流可以在不同方向之间切换的设备。在神经形态视觉系统中,单个双向光电探测器可以分别表示兴奋和抑制行为中的正负权重,从而大大减少了人工神经网络中的硬件数量。现有的可调双向光电检测主要依赖于二维材料中的门控带对齐和金属与半导体复合系统中的光热效应。然而,门控工程的要求必然消耗额外的功率,并且光热效应的响应时间过长。 铁电二极管是一种特殊的二极管,其整流方向可以通过极化反转进行切换。基于铁电氧化物的传统体积型Fe二极管可以通过轻松切换其电极化方向来产生非易失的对称双向光响应。这种切换过程具有超快的动力学响应(<1纳秒)和高度可控性,无需持续的电压供应。切换机制源于由极化引起的表面电荷调制的肖特基势垒的高度(SBHs)和内建电场。然而,现有的铁电二极管还主要是基于传统的铁电氧化物材料,在实际应用中存在着较为严重的界面缺陷。 研究内容 利用QuantumATK软件,作者首次使用第一性原理结合量子输运的方法模拟了二维范德瓦尔斯型α-In2Se3/NbX2 (X = S,Se和Te) 铁电二极管的电学传输和光电输运性质。作者通过计算器件的局域器件态密度发现,可以通过调控α-In2Se3的铁电极化方向使器件从一个p-i结转化为一个n-i结,因此其整流方向就会发生转变,从而实现非易失性存储功能和双向光响应效应。作者的工作揭示了vdW Fe二极管在未来计算-传感器架构中具有巨大潜力。 图1. α-In2Se3/NbX2(X=S、Se和Te)铁电二极管中(a)向上极化和(b)向下极化态双向光电流的基本原理 图2. α-In2Se3/NbS2-Fe二极管的局域器件态密度(a)P向上和(b)P向下。子图(c)和(e)与(a)相同,但X分别为Se和Te。子图(d)和(f)与(b)相同,但X分别为Se和Te。每个子图中的两条水平白色虚线之间的距离表示铁电能带偏移(EFE)。中心区域和电极区域由垂直的白色虚线分隔开。 图3. (a) vdW α-In2Se3/NbS2铁电可开关二极管在不同铁电极化和沿y轴以偏振角θ入射的线偏振光下的光响应。子图(b)和(c)与(a)相同,但分别用于NbSe2和NbTe2。子图(d)与(a)相同,但对于沿着z轴入射的具有偏振角Φ的线偏振光。子图(e)和(f)与(d)相同,但分别用于NbSe2和NbTe2。 参考 Fang, S.; et al. Phys. Rev. Mater. 2023, 7 (8), 084412. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.7.084412.

探索氢键对低维材料金半接触中的性能提升与理论极限(Mater. Horiz. 2023)

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简介 超越硅材料的先进电子学发展需要将沟道材料厚度缩减至二维(2D)极限。然而,利用 2D 半导体制造器件的一个关键挑战是需要接近量子极限的低接触电阻,这主要受限于固有的范德华间隙导致的附加隧穿电阻。最近,半金属(铋、锑等)/二硫化钼接触的强范德华接触接近量子极限,为进一步缩小器件尺寸和延续摩尔定律提供了希望,引发了一波探索 2D 晶体管性能极限的研究热潮。然而,继续降低接触电阻仍然具有挑战性,因为半金属接触受限于范德华相互作用的本质及狭窄的功函数范围。此外,实现清洁无损的金属沉积工艺仍具有一定技术挑战。因此,急需实现能本质上克服范德华间隙的超洁净、无损的金半接触。北京大学信息工程学院张敏课题组利用第一性原理和量子输运模拟,提出与阐明了氢键接触技术在开发新型低维器件和探索性能极限中的潜力,凸显了化学、物理和材料科学之间的交叉研究对电子学发展的重要机遇。 图1. 氢键接触的概念图 图2. 氢键异质结中洁净且紧密的金半接触 研究内容 这项研究基于第一性原理提出利用氢键相互作用本质上克服固有的范德华间隙,并讨论了在各种 2D 半导体中实现良好氢键接触的通用设计理念。鉴于氢键所具备的类似于范德华力的洁净界面特性,且具有更强的电子态耦合能力,氢键接触能够实现接近量子极限的超低接触电阻。此外,2D 材料的表面工程赋予了氢键接触较高的设计灵活性,能够使金半接触同时逼近修正的肖特基-莫特极限。理论预测优异的氢键接触可以为各种新型高迁移率 2D 半导体(如氮化物、氧化物、卤化物、硫族化合物等)提供延续摩尔定律所需的电接触。这项研究成果将为进一步探索 2D 晶体管的性能极限提供理论指导,并为从高性能晶体管到量子器件的广泛应用提供了一种设计理想金半接触的方法,从而加速这个令人兴奋且迅速发展的领域的进步。 图3. 氢键接触在十余种二维半导体中同时实现量子极限和修正的肖特基-莫特极限 图4. 氢键异质结的动力学结构稳定性分析 本研究进一步利用 QuantumATK 中的机器学习力场模块研究了复杂的氢键接触体系的动力学稳定性,在理论上指出了最有利于实验实现的材料组合。使用 QuantumATK 中的 Nudge Elastic Band 模块计算了氢键异质结中氢原子的扩散势垒来进一步评估氢键接触的化学稳定性。研究结果表明,氢原子扩散势垒的高度与异质结的接触性能之间存在权衡。具体来说,随着异质结结合能的增加,两种材料之间的接触会变得更紧密,并表现出更大的隧道概率。因此,这导致氢原子的扩散阻力降低。为了在接触性能和稳定性之间取得平衡,作者重点研究了 Nb4C3(OH)2/MoS2 异质结,它的扩散势垒为 0.94 eV,同时接触电阻较低(n2D = 1.5×1013 cm-2 时为 109.82 Ω μm;n2D = 3×1013 cm-2 时为 57.31 Ω μm)。 为了量化温度效应导致的接触几何形状对电接触的影响,作者利用 QuantumATK 的分子动力学模块在进行长达 100ps 的NVT热平衡之后独立进行了多个时长为 5ps 的 Langevin 动力学采样。由于粒子的初始速度是从随机麦克斯韦分布中产生的,因此对多个样本的结果取平均值可确保在给定温度下产生具有统计学意义的结果。这种方法已被广泛用于解决电子-声子耦合问题(如 Phys. Rev. B, 2017, […]

H-diamond/h-BN中层间转角调控的界面特性

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简介 层间转角作为一种全新的调控自由度,为新奇的强关联物理现象提供研究平台的同时,也为混合维度范德华(vdW)异质结界面特性的调控提供了新的思路。在本文中,西安电子科技大学张进成老师课题组基于QuantumATK中密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)耦合的方法,研究了层间转角对H-diamond/h-BN vdW异质结界面处载流子行为和能带对齐特性的调控机理。结果表明,层间转角为h-BN引入的可控应变将诱导其重杂化并产生额外的自由轨道。此外,层间转角可以通过改变堆垛模式实现对异质结特性的调控。在这两个因素的共同作用下,H-diamond/hBN异质结的vdW耦合强度,电荷转移程度,带隙,界面势垒和价带带阶都可以通过组分间的相对转角进行调控。 层间转角调控下H-diamond/h-BN界面的载流子行为 当层间转角为30°或90°时,严重的晶格失配将为h-BN引入8.56%的压缩应变,此时抗弯刚度较差的h-BN向面外方向弯曲以释放所受应力。屈曲h-BN与H-diamond间的电荷转移程更高,这源于sp2到sp3的轨道重杂化所产生的额外自由轨道。剧烈的电荷转移有助于确保2DHG与维持系统电中性所需的负电荷在空间上充分分离,有效屏蔽了表面杂质散射对2DHG迁移率的影响。 由于倏逝波函数从h-BN向H-diamond表面的渗透,h-BN在H-diamond的导带中引入了额外的能带。其中平面h-BN为H-diamond引入的额外能带局域在H-diamond的CBM附近,而屈曲h-BN引入的额外能带则广泛分布在H-diamond的整个导带中,这表明屈曲h-BN和H-diamond之间的杂化更为强烈。 层间转角调控下H-diamond/h-BN界面的能带结构 四种特定层间转角下H-diamond/h-BN异质结的VBM均由H-diamond贡献,而CBM则由h-BN主导,四种构型均表现出II型异质结的特性。电子和空穴在空间上的充分分离有助于降低载流子输运过程中所遭受的库仑散射,这对保障H-diamond表面高迁移率的2DHG意义重大。 层间转角调控下H-diamond/h-BN界面的能带对齐方式 由于界面处剧烈的电荷转移,30°和90°构型的界面势垒分别高达2.04 eV和2.08 eV。此外,相较于30°构型,90°构型中H-diamond表面的价带带边具有更高的状态密度,这意味着该构型下H-diamond表面具有更高的空穴承载能力,该构型更有利于在H-diamond表面形成高密度的2DHG。 参考 Wang, B.; Ning, J.; Zhang, J.; Zhang, C.; Wang, D.; Hao, Y. Twist angle modulated electronic properties and band alignments of hydrogen-terminated diamond (111)/hexagonal boron nitride heterostructures. Appl. Surf. Sci. 2023, 614, 156245. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.156245.

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 […]

$\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$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 […]

 
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    费米科技以促进工业级模拟与仿真的应用为宗旨,致力于推广基于原子级别模拟技术和基于图像模型的仿真技术,为学术和工业研究机构提供研发咨询、软件部署、技术攻关等全方位的服务。费米科技提供的模拟方案具有面向应用、模型新颖、功能丰富、计算高效、简单易用的特点,已经服务于众多的学术和工业用户。

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