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 […]

研究背景 随着二维材料研究的不断深入，寻找具有优异电子、光电性能的新型二维半导体材料，成为推动微电子器件和光电探测器技术发展的关键。ScXI（X = S, Se, Te）单层材料因其独特的层状结构、合适的带隙、优异的载流子迁移率以及良好的稳定性，近年来受到研究者的广泛关注。作为一类 III-VI 族化合物，ScXI 单层不仅具备与传统过渡金属二硫化物（如MoS₂、WS₂）相似的二维特性，同时展现出更大的结构多样性和可调性。 目前的研究表明，ScXI 单层材料在电子器件中有望实现高开关比的场效应晶体管，并因其对可见光和近红外光的良好响应能力，在光电探测与传感应用中表现出巨大潜力。此外，其各向异性电学特性与可调带隙也为设计新型纳电子器件与集成系统提供了理论依据和材料基础。因此，深入研究 ScXI 单层的电子结构、光学响应及其在微电子与光电传感器中的应用潜力，对于拓展二维材料体系的实际应用边界具有重要的科学意义与工程价值。 研究内容 宽带隙二维半导体在蓝光至紫外波段的大功率电子学和光电子学中有着广泛的应用。在这项研究中，利用第一性原理方法研究了ScXI （X =S, Se, Te）单层的电子、机械、输运和光电性质。一些基于 ScXI 单层的概念性纳米器件被构建，如 p-n 结二极管、场效应晶体管（FET）和光电晶体管。它们的多功能特性随后被揭示出来。 结果表明，ScXI 单层材料均为半导体，其直接带隙为 2.42 ~ 1.34 eV，具有较高的动力学、热稳定性和机械稳定性，显著的力学各向异性，相对较低的刚度，以及可通过施加应变调节的电子性能。 图1. ScXI 的（a）单层原子结构的主视图侧视图（b）声子谱（c）分子动力学模拟（d）杨氏模量（e）剪切模量（f）泊松比；投影能带与投影态密度（g）ScSI（h）ScSeI（i）ScTeI ScXI 单层的 x 型和 Y 型 p-n 结二极管均表现出很强的整流效果，具有超高的整流比、大的电流密度和显著的电各向异性，具有较大的电流各向异性比。 图2. 掺杂浓度为 3×1013 cm-2 的 x 型和 y 型 ScXI 单层 p-n 结二极管的输运性质（a）p-n 结二极管原理图（b-d）ScXI 的 p-n 结二极管偏压电流（e）ScXI 沿 x 方向单轴施加 6% 压缩应变器件的整流比 ScXI 单层场效应晶体管具有与 p-n 结二极管相同的完美整流效果和强电流各向异性。此外，栅极电压可以有效地调节 FET 的电流。 图3. 掺杂浓度为 3×1013 cm-2 的 p-i-n 型 ScXI 单层场效应晶体管的输运性质（a）p-i-n 结场效应管原理图（b-e）0、5、10 和 -10 V 栅极电压下，ScSI 单极层 p-i-n 结场效应管的电流、整流比 R（f）不同栅极电压下 ScSI 单层 p-i-n 结场效应管在 -1 V 偏压下的电流分布 ScXI 单层及其光电晶体管在可见光和紫外区也表现出良好的光电响应。 图4. ScSI 单层的（a）光吸收系数（b）光电导率实部（c）p-i-n 结光电晶体管示意图（d）p-i-n 结光电晶体管在零偏压（无电源）和零栅压下的本征光电流密度 总结 本文系统地研究了 ScXI（X = S, Se, Te）单层材料的电子结构、光学性质及其在微电子器件和光电传感器中的应用潜力。通过基于第一性原理的计算，作者发现 ScXI 单层为间接带隙半导体，带隙范围适中（1.6–2.3 eV），并具有良好的载流子迁移率与稳定性，适合用作下一代纳米电子器件的有源层材料。此外，这些材料在紫外到可见光范围内表现出显著的光吸收能力和各向异性光学响应，展现出优异的光电转换特性。研究还表明，三种材料的电子与光学性能随着 X 元素的更替呈系统性变化，可通过化学组分调控其性能以满足不同应用需求。该工作为 ScXI 类二维材料在场效应晶体管、光电探测器等领域的应用提供了理论支撑，也拓展了 III-VI 族二维材料在纳米科技中的实际应用范围。 参考文献 Chen J, Fan X, Li J, et al. Exploring the applications of Sc XI (X= S, Se, Te) monolayers for […]

迈向超低功耗和高速电子产品：基于单链碲的隧道晶体管 在小于 5.1 纳米尺度下，遂川场效应晶体管（TFETs）的应用面临诸多挑战，包括低开态电流（Ion）、较高的漏电流（Ileak）。本文通过设计环栅（GAA）结构的单链碲（1Te）TFETs，使亚阈值摆动（SS）特性在近六个数量级的漏电流范围内得以保持，从而克服了上述挑战。通常，最大 Ion 和最小 Ileak 之间存在权衡关系，但本文优化设计的 5.1 纳米 GAA 1Te TFET 突破了这一常规。其快速开启特性导致超低的 Ileak（7.9 × 10⁻¹⁰ μA/μm）和高的 Ion（1352 μA/μm），性能优于其他基于低维材料设计的 FETs。这些优异性能归因于 1Te 的优势特性，包括中等带隙、各向异性有效质量和缩短的电场屏蔽长度。更为关键的是，该器件展现出数字电子器件的关键性能指标，满足国际半导体技术路线图（ITRS）对高性能与低功耗器件的双重要求，显示出其作为节能、高速电子开关的巨大潜力。我们的研究有望推动对亚 5.1 纳米准一维材料 TFETs 的进一步探索，并为其性能优化提供宝贵的理论指导。（Materials Today Physics, 2024, 40: 101313. DOI:10.1016/j.mtphys.2023.101313） 高k栅电介质WSe2 / SnSe2隧穿场效应晶体管中的量子输运 该研究通过量子输运模拟，探讨了采用不同高介电常数（high-k）栅介质材料的 WSe₂/SnSe₂ 隧穿场效应晶体管（TFET）的性能。结果表明，使用高-k 栅介质材料（如 TiO₂ 和 La₂O₃）可以使得电子穿隧长度缩短，传输效率提高，电子穿隧概率增大。其中，采用 TiO₂ 栅介质的优化器件在导通状态下实现了 1560 μA/μm 的电流和 48 mV/dec 的亚阈值摆幅（SS）。此外，研究还发现，器件性能受 underlap 区域的影响，且使用 La₂O₃ 介质的器件可以缩小至 3 纳米，同时满足国际半导体技术路线图（ITRS）对高性能器件的要求。（Journal of Materials Science & Technology, 2024, 201: 149-156. DOI:10.1016/j.jmst.2024.01.098） 多态非易失性存储器中范德华异质的各向异性输运和铁电极化 该研究旨在开发高密度、多状态的非易失性存储器。​作者设计了一种基于 α-tellurene/In2Se3 范德华异质结构的面内铁电隧道结（in-plane FTJ）。通过铁电极化控制金属-半导体转变，实现了在不同传输方向上的各向异性隧穿电阻比（TER），并且在低偏压下TER保持在 5×104 % 以上。此外，结合各向异性传输和铁电极化，器件可实现四个独立的存储状态，无需擦除步骤即可在这些状态之间直接切换，从而简化了操作流程，为多状态非易失性存储器提供了新的实现途径。（Physical Review Applied, 2024, 22(6): 064016. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.22.064016） 边缘修饰的锯齿形GeS纳米带器件的可调电子特性和显著的负微分电阻效应：第一性原理研究 该研究利用密度泛函理论（DFT）结合非平衡格林函数（NEGF）方法，探讨了通过氢（H）、氟（F）和氯（Cl）原子对锯齿形锗硫（ZGeSNRs）纳米带边缘进行单侧和双侧修饰对其结构、电子和输运性质的影响。研究发现，边缘修饰消除了悬挂键，提高了纳米带的稳定性。单侧修饰保持了ZGeSNRs的金属性质，而双侧修饰使其表现出半导体特性。此外，某些修饰结构展示了强烈的负微分电阻（NDR）效应，其中氢修饰的 ZGeSNR 在 0.49–1.07 V 的偏压范围内，峰谷电流比达到 1.01×105，显示出在低功耗高性能纳米电子器件中的应用潜力。（Surfaces and Interfaces, 2024, 46: 104201. DOI:10.1016/j.surfin.2024.104201） 二维XYN3 (X=V, Nb, Ta；Y=Si, Ge)：有前途的光电探测器材料 […]

研究背景 随着微电子器件向更小尺寸和更高能效发展，传统场效应晶体管逐渐面临亚阈值摆幅限制和功耗瓶颈。隧穿二极管，尤其是具备负微分电阻（NDR）效应的器件，因其在高速开关、存储及多值逻辑电路中的应用潜力而受到广泛关注。二维材料由于其原子级厚度和出色的电子性能，为新型隧穿器件的设计提供了理想平台。近年来，一类被称为“冷金属”的二维材料引起研究者兴趣，它们在费米能级附近具有孤立电子态，有利于实现高峰值电流密度与超高峰谷电流比（PVCR）。本研究以 NbSi2N4/HfSi2N4/NbSi2N4 横向异质结构为基础，提出一种新型二维隧穿二极管设计，为构建低功耗、高性能的未来电子器件提供了新的思路与理论支持。 研究内容 研究采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，研究了具有不同势垒厚度的横向隧穿二极管在锯齿形和扶手椅方向上的电流-电压（I-V）特性。与扶手椅取向相比，锯齿形取向的隧穿二极管显示出更高的峰值电流密度，而扶手椅型取向的隧穿二极管显示出更大的峰谷电流比（PVCR）。研究结果表明，MA2Z4 材料是实现具有超高 PVCR 值的 NDR 隧穿二极管有望候选者，可能在存储器、逻辑电路和其他电子器件中有潜在的应用。 通过计算能带结构发现 NbSi2N4 具有“冷金属”二维材料电子特性，HfSi2N4 为直接带隙半导体。 图1. NbSi2N4 与 HfSi2N4 的能带结构 不同于传统的 Esaki 二极管几乎无法获得消失谷电流的特性，本文中的扶手椅型隧穿二极管在 1.0-1.3 V 偏置电压区间内出现消失的谷电流，而对于锯齿形隧穿二极管，从 NDR 过渡到第二个正微分电阻（PDR）发生在一个非常窄的电压窗内。 图2. 不同隧穿势垒长度下 NbSi2N4/HfSi2N4/NbSi2N4 隧穿二极管在扶手椅和锯齿形方向上的电流-电压特性 通过计算复数能带解释扶手椅型和锯齿形两种隧穿二极管的电流密度峰值差异，以及势垒厚度对电流密度的影响。 图3. HfSi2N4 的复能带结构 总结 基于第一性原理计算，本文设计了一种基于二维冷金属材料的横向隧穿二极管。研究选用 NbSi2N₄ 与 HfSi2N₄ 构建异质结构，其中 HfSi2N₄ 作为势垒层，NbSi2N₄ 作为电极。该结构利用 MA2Z₄（M = Nb、Ta；A = Si、Ge；Z = N、P）类二维材料在费米能级附近呈现孤立金属态的“冷金属”特性，在不同晶向（zigzag 与 armchair）上展现出显著的负微分电阻（NDR）效应。计算结果显示，器件可实现超高峰谷电流比（PVCR），armchair 方向可达约 500，远优于现有的 Ge 基或 MoS₂ 基 NDR 器件。这项研究不仅展示了二维冷金属材料在低功耗、高性能隧道电子器件中的应用潜力，也为相关器件设计与优化提供了理论指导，具有重要的科研与应用价值。 参考文献 Bodewei P, Şaşıoğlu E, Hinsche N F, et al. Computational design of tunnel diodes with negative differential resistance and ultrahigh peak-to-valley current ratio […]