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 […]

基于单层 PtSe2 的低功耗高性能 MOSFETs 的量子输运模拟 探索更多摩尔电子器件的新型沟道材料是一件有趣的事情。由于其各向异性电子特性、优异的稳定性和高载流子迁移率，单层（ML）PtSe2 是一种很有前途的沟道候选材料。通过 underlap 工程，利用量子输运模拟评估 sub-5nm ML PtSe2 MOSFETs 的性能极限。研究结果表明，优化后的 5 nm 栅极长度的 n 型和 p 型 ML PtSe2 MOSFETs 在低功耗（LP）和高性能（HP）应用方面都超过了国际器件和系统路线图（IRDS），并且与先前报道的ML MoS2 和 MoTe2 MOSFETs 相比表现出卓越的性能。值得注意的是，在漏极附近引入 p-n 结进一步提高了 3 纳米栅极 ML PtSe2 MOSFETs 的性能，超过了 IRDS HP 基准。重要的是，在适用于 LP 应用的 5 纳米栅极 ML PtSe2 MOSFETs 和适用于 HP 应用的 3 纳米栅极 ML PtSe2 MOSFETs 中观察到几乎对称的器件特性，这有利于同质逻辑电路的设计。（Surfaces and Interfaces, 2025: 107550. DOI:10.1016/j.surfin.2025.107550） Janus […]

研究背景 随着二维材料在纳米电子与光电子器件中的广泛研究，开发兼具可调电子结构与多器件适用性的新型二维材料已成为当前的重要研究方向。除石墨烯、过渡金属硫族化合物（TMDs）等体系外，MXene 材料因其丰富的化学组成、可控的边缘修饰基团以及优异的电学性能，逐渐展现出在下一代电子器件中的应用潜力。尤其是通过边缘修饰工程，MXene 的功函数、载流子类型和能带结构可在较大范围内调控，为其从传统电极材料向有源半导体材料拓展提供了可能。 在众多 MXene 体系中，Sc2CT2(T=F, O) 由于其相对稳定的结构和对边缘修饰高度敏感的电子性质，引起了研究者的关注。不同修饰原子可显著改变其费米能级位置与载流子行为，使同一母体材料呈现出类 p 型或 n 型特性，为构建 p–n 结器件提供了天然优势。然而，目前关于 Sc2CT2 在具体器件层面的系统研究仍较为有限，尤其是在多功能电子与光电子器件中的综合应用潜力尚未得到充分探索。 研究内容 本研究基于第一性原理计算，系统探讨了 Sc2CT2(T=F, O) 在多种电子与光电子器件中的应用潜力，重点分析其电子结构调控机制及器件层面的功能表现。首先，通过密度泛函理论对 Sc2CT2 在不同边缘修饰条件下的能带结构、态密度及功函数进行计算，阐明 F 与 O 修饰对其载流子类型和能级分布的调控作用，为后续器件设计提供理论基础。 图1. 投影能带与投影态密度图（a）Sc2CF2（b）Sc2CO2 其次，基于边缘修饰差异构建 Sc2CT2 扶手椅与锯齿形输运方向的 p-n 结二极管，系统分析 p–n 结二极管的整流行为及电流-电压特性，评估其在二维整流器件中的应用可行性。 图2. 锯齿型和扶手椅型 Sc2CT2 单层掺杂浓度为 1×1020 cm-3 时 p-n 结二极管的输运特性 进一步地，将 Sc2CT2 作为沟道材料，引入栅极调控模型，研究其在场效应晶体管中的栅控能力、开关特性及载流子输运行为，揭示边缘修饰对 FET 性能的影响规律。 图3. Sc2CF2 单层 pin 结 FET 的输运特性 在此基础上，本研究还考察了 Sc2CT2 在光照条件下的光吸收特性与光生载流子动力学行为，构建光电 FET 模型，分析光照对沟道电导和器件响应的调制效应，评估其在光探测与光电集成器件中的应用潜力。 图4. Sc2CT2 单层 pin 结光电 FET […]

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 […]