Annalen der Physik: 二维材料带电缺陷能量计算方法(WLZ方法)及缺陷物理探索

 集成电路将大量晶体管集成在一个芯片上,从而实现复杂的功能。现代生活中的诸多电子产品如手机,电脑等都是以集成电路为基础而实现的。近年来,晶体管持续向更小尺寸发展,随之而来的短沟道效应,大功耗等负面效应增加,极大地限制了集成电路的发展。二维材料由于材料厚度薄,电荷更易调控等优势在集成电路方面具有应用潜力。众所周知,通过引入缺陷或杂质调控半导体P/N导电类型是制作晶体管的关键前提,因此探索二维材料的缺陷物理具有现实意义。

然而,二维材料缺陷物理探索面临挑战——缺陷性能理论评价方法匮乏。相对于传统三维材料,二维材料屏蔽弱,带电缺陷与带电缺陷间库仑作用强,这使得传统材料缺陷评价的第一性原理方法对于二维材料内带电缺陷失效,具体表现为带电缺陷体系能量严重依赖于所用晶胞尺寸,违背了真实物理。计算方法匮乏严重限制了对二维材料等体系由于维度降低带来的新缺陷物理图像的探索。

基于此,来自吉林大学、伦斯勒理工学院的科学家推荐了一种低维材料带电缺陷的评价分析方法(WLZ方法)来克服上述难题。此方法不依赖于参数设定及泛函形式,且适用于任何二维材料体系,因此已被应用在氮化硼、二硫化钼、黑磷、硒化铟等多个具有工业价值的材料体系。计算方法的进步也促进了低维材料缺陷物理的探索发现,包括二维材料内缺陷能级普遍偏深的规律,介电环境对于缺陷性能的影响,与缺陷束缚带边态相关的缺陷提供载流子机制和载流子传输图像。这些进展对于二维材料缺陷调控提供了有效的理论分析手段,也为延伸摩尔定律的电子器件开发提供参考建议。

研究人员回顾了此计算方法的开发历程和系列进展,同时展望了存在的挑战以及后续可开展方向。该工作以”Evaluation of Charged Defect Energy in Two-Dimensional Semiconductors for Nanoelectronics: The WLZ Extrapolation Method”为题,于近日发表在《Annalen der Physik》上 (DOI: 10.1002/andp.201900318)。