Janus MoSSe压电场效应晶体管：单层与双层结构在纳米电子应用中的比较研究

《Mental Health & Prevention》：Janus MoSSe piezoelectric FETs: A comparative study of monolayer and bilayer for nanoelectronic applications

基于单层和双层Janus MoSSe的压电场效应晶体管电子特性分析，采用非平衡格林函数（NEGF）和密度泛函理论（DFT）方法，系统研究其电子结构和应力响应，发现双层MoSSe在压电FET中具有更优的电流比（>10^8）和亚60 mV/dec阈值摆动，为低功耗电子器件提供新方向。

　　

Hesameddin Adib|Shoeib Babaee Touski|Mohsen Mazaherifar|Shams Mohajerzadeh

伊朗德黑兰大学电气与计算机工程学院

摘要

本研究探索了一种基于单层和双层Janus MoSSe的新型压电场效应晶体管（piezoelectric FET）。通过使用非平衡格林函数（Non-Equilibrium Green’s Function, NEGF）方法和密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT），全面分析了这些材料作为器件通道的电子特性。首先研究了这些二维材料的电子特性，然后评估了它们对垂直于平面压缩应力的响应，以评估其在压电场效应晶体管器件中的适用性。研究结果展示了出色的性能指标，包括高的开态电流（I/I OFF）比以及低于60 mV/dec的亚阈值摆幅。令人惊讶的是，与传统的场效应晶体管设计相比，压电场效应晶体管配置中的开态电流有所增强。值得注意的是，尽管双层MoSSe的电子有效质量较高，但其性能仍优于单层MoSSe。这些发现表明，基于MoSSe的压电场效应晶体管是下一代低功耗电子应用的非常有前景的候选材料。

引言

自从石墨烯作为第一种二维材料被发现以来，研究人员对其在各种应用中的潜力产生了浓厚兴趣，因为它们具有独特的性质、出色的机械强度、柔韧性、透明度以及令人印象深刻的电子和光学特性[1],[2]。除了石墨烯之外，还已知有许多其他二维材料，而且这一家族仍在不断扩展，为不同的应用开辟了广阔的前景[3]。其中最有趣的一类是Janus材料——之所以这样命名，是因为它们的表面类似于罗马神祇[4],[5]。作为Janus家族的代表，单层二硫化钼-硒化物（MoSSe）最近成为一种广受认可的材料，因为它结合了多种优异的特性[6],[7]。MoSSe继承了其母体化合物MoS2和MoSe2的电子、光学和机械特性[8],[9]。值得注意的是，MoSSe还表现出显著的压电效应——这一特性为其在压电场效应晶体管（FET）中的应用奠定了基础[10],[11]。压电场效应晶体管能够将机械应力转换为电信号，在触敏接口、能量收集和复杂传感技术方面具有很大的潜力[12],[13]。考虑到将MoSSe等二维材料集成到这些器件中，它们的高压电系数、优异的电子特性以及可集成到微型系统中的能力使其变得非常吸引人[14],[15],[16]。

本研究介绍了一种压电场效应晶体管（piezoFET）架构。在这种架构中，栅极诱导的压电响应通过垂直于平面的应力动态调节MoSSe通道，从而可以通过电控实现能带结构和传输特性的连续且可逆的调节。此外，本研究独特地比较了单层和双层MoSSe在这种动态机电配置下的性能，发现双层MoSSE由于其更高的顺应性和多能带结构而具有明显的优势。这种动态应变耦合与层分辨分析的结合为二维压电场效应晶体管的设计开辟了新的方向。

要充分发挥MoSSe单层和双层在压电场效应晶体管（FET）中的潜力，需要对其电子结构有深入的了解。这种理解可以通过使用非平衡格林函数（NEGF）和密度泛函理论（DFT）等先进的量子力学模拟方法获得[17],[18]。尽管NEGF为研究开放量子系统中的传输提供了非常有前景的框架，但DFT已被证明是确定电子结构及相关特性的可靠方法。在本研究中，这些强大的模拟方法被应用于基于单层和双层MoSSe设计的压电场效应晶体管，从而揭示了该器件的性能，并为开发高效下一代电子设备指明了方向[19],[20],[21]。

部分摘录

第一性原理计算

结构优化和电子结构计算是使用维也纳从头算模拟包（Vienna Ab-initio Simulation Package, VASP）[22],[23]在密度泛函理论（DFT）框架下进行的，采用了全电子投影增强波（All-electron Projector Augmented Wave, PAW）赝势[24]。为了确保准确性，采用了Perdew–Burke–Ernzerhof形式的广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation, GGA）[25]，并对平面波设置了600 eV的能量截止值。

材料表征

图1展示了MoSSe单层和AA’-SeSe双层的原子结构示意图。在本研究中，选择了AA’-Se-Se结构的MoSSe双层，因为从较低形成能量的角度来看，这种结构具有较低的形成能量和较高的原子排列效率[31],[32],[33]。表1报告了计算得到的原子特性，包括晶格常数和层间距，这些结果与之前的研究结果一致[31],[32],[33],[34],[35],[36],[37],[38]。

结论

总之，本研究探讨了Janus MoSSe单层和双层材料在下一代压电场效应晶体管中的巨大潜力。通过使用DFT和NEGF方法进行详细的材料分析和器件模拟，研究了这些二维材料的优异电子特性，结果表明它们适合作为压电场效应晶体管的通道。模拟结果显示了出色的性能指标，包括高的开态电流（I/I OFF）比超过10^8以及亚60 mV/dec的亚阈值摆幅。

作者贡献声明

Hesameddin Adib：撰写初稿、验证、软件开发、数据整理。Shoeib Babaee Touski：撰写、审稿与编辑、监督、研究设计、概念构思。Mohsen Mazaherifar：撰写、审稿与编辑、资源提供、概念构思。Shams Mohajerzadeh：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。

利益冲突声明

本手稿尚未提交给其他期刊或其他出版机构，也未在其处接受审稿。