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 Synthesis, Properties, Chirality and Self-Assembly into Molecular Stripes on a Graphite Surface. Nanoscale 2023. https://doi.org/10.1039/D2NR04209F

材料的化学不稳定性和降解

尽管磷烯具有瞩目的性能,但由于其不稳定性或在环境条件下逐渐降解,因此其在器件应用中前景暗淡。作者讨论了环境条件下磷烯的原子级降解动力学,同时使用密度泛函理论和第一原理分子动力学计算研究了氧和水等降解剂的参与。研究表明,氧分子在环境中自发地在原始磷烯上解离,导致放热反应,通过增加分压和温度可以进一步促进放热反应。表面反应主要是由于磷原子的孤对电子,使得降解在氧原子参与下具有方向性和自发性。作者还发现,虽然原始的磷烯是疏水的,但在表面氧化后它变得亲水。此外,水分子通过改变磷氧相互作用的反应动力学路径,并由于其催化作用而降低活化能和反应能,在降解过程中发挥着至关重要的作用。研究还揭示了磷空位在降解中的作用,作者观察到磷空位是氧化的中心。氧气直接在空位上攻击反应更快。类似空位作用的磷烯边缘称为突出反应位点,并且由于不同的键角受限而呈现各向异性的氧化。作者的研究澄清了磷烯降解动力学中的含混之处,这将有助于设计钝化技术,使磷烯器件在环境中稳定。(Kumar, J.; Shrivastava, M. First-Principles Molecular Dynamics Insight into the Atomic Level Degradation Pathway of Phosphorene. ACS Omega 2022, 7 (1), 696–704. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c05353

材料与界面热导

作者研究了具有由两个单层石墨烯纳米带(GNR)区和一个中心多层GNR区形成的同质结的热导率和界面热导,讨论了层数、长度、宽度和温度的影响。结果表明,整个传热性能从根本上取决于界面,在界面处放置聚乙烯分子可以增加界面热导。该研究对理解热传导机理和设计热功能材料具有重要的参考价值。(Shi, H. L., et al. Thermal Conductivity and Interfacial Thermal Conductivity of Complex Graphene Nanoribbons without and with Polyethylene Molecules. International Journal of Thermal Sciences 2021, 170, 107038. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2021.107038


 
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