חישוב תחבורה טעינה ב-Nanostructured חומרים ליישומים אלקטרוניים

הבנת תחבורה אחראית בחומרים nanostructured חיוני לפיתוח מכשירים אלקטרוניים מתקדמים.חומרים אלה מציגים תכונות חשמל ייחודיות עקב תכונות nanoscale שלהם, המשפיע על ביצועי המכשיר ויעילות.חשיבות של תהליכים כגון תחבורה אנרגיה ניתן למצוא יישומים רבים, כגון ניהול תרמי של מכשירים אופטיים ואלקטרוניים, חומרים תרמואלקטריים עבור המרה אנרגיה, חומרים בידוד תרמי עבור שימור אנרגיה, חומרים באמצעות ננו-חומרים, ביצועים גבוהים וסוללות בטוחות יותר, כמו גם טיפולים אלקטרוניים, ואלקטרוניקה מדויק יותר ויותר, ומאובטחים, החלים.

מימון של תחבורה אחראית בחומרים ננו-מבנים

תחבורה חיוב מתייחסת לתנועת האלקטרונים או החורים בתוך חומר תחת השפעת שדה חשמלי.נשאי נושאת מתייחסת ליכולת של נושאי מטען לעבור דרך חומר בתגובה לשדה חשמלי יישומי, שיש לו השפעה משמעותית על הביצועים של מכשירים אלקטרוניים.חומרים ננו-מבנים, תהליך זה מושפע באופן משמעותי מאפקטים קוונטיים, פני השטח, והגיאומטריה של החומר.

אפקטים קוונטיים ב-Nanoscale

ב nanoscale, אפקטים מכניים קוונטיים הופכים דומיננטיים ולא ניתן להתעלם כאשר מודלים תחבורה מטען. at the nanoscale, ממשקים וגבולות יכולים לדכא חזק את התחבורה האנרגיה על ידי פיזור צינורות חום ו / או מטען. תופעות קוונטיות אלה כוללים מנהרה אלקטרונית, הגבלת קוונטית, ואת כפולות חלקיקים גל, אשר כל אלה משפיעים באופן משמעותי כיצד חיובים עוברים באמצעות חומרים ננו-מבנים.

הגבלת קוונטית מתרחשת כאשר הממדים של חומר להיות דומה לאורך הגל של נושאי מטען, בדרך כלל בטווח של 1-100 ננומטרים. הגבלה זו מגבילה את התנועה של אלקטרונים וחורים באחד או יותר ממדים, המוביל להיווצרות רמות אנרגיה דיסקרטיות ולא להקות אנרגיה רצופות.

השפעות על פני מדינות ואפקטים של ממשק

מדינות משטח לשחק תפקיד מכריע בהובלה בתוך חומרים ננו-מבנים בשל יחס פני השטח הגבוה האופייני במערכות ננומטריות.מדינות פני השטח הללו יכולות לפעול כאתרי מלכודת עבור מובילי מטען, צמצום הניידות ויצירת חסמים פוטנציאליים אשר מעכבים תחבורה. הבנה טובה יותר של איך ספקים אינטראקציה עם ממשק או יכול בעיקר לקדם את היישומים של ננוטכנולוגיה בתחומים רבים של הנדסה יש אסטרטגיה קריטית עבור תחבורה פיזית קפדנית של שליטה קפדנית של תכונות חומרים כימיים.

איכות הממשקים בין חומרים שונים או בין ננו מבנים לבין תת-התחסין שלהם יכולה להשפיע באופן דרמטי על ביצועי המכשיר. Defects, גסות, ומיומנות כימית בממשקים יכולה ליצור מרכזי פיזור אשר להפחית את הניידות.

המונחים: Transport mechanism

כמה מנגנונים שונים שולטים תחבורה בחומרים nanostructured, בהתאם למאפיינים החומריים, הטמפרטורה והמאפיינים מבניים.ההובלת המטען יעילה בתוך רוב החומרים המולקולריים הפעילים היא אחד הגורמים העיקריים המשפיעים על היעילות והביצועים של מכשירים אלקטרוניים אורגניים. בצריפים מולקולריים, הניידות האפקטיבית של נושאי מטען נחשב בדרך כלל כתוצאה מקונבול של תצורה אנושית של תצורה אורת.

בקוסטלי או בחומרים ננו-מבנים מאוד, התחבורה של הלהקה בדרך כלל שולטת בטמפרטורות נמוכות, שם מובילי מטען עוברים דרך מצבים מלוטשים עם פיזור מינימלי.כפי שטמפרטורת או הפרעה מוצגת, תחבורה הצנרת הופכת משמעותית יותר, שבו ספקים קופצים בין מדינות מקומיות.במוליכים למחצה אורגניים מולקולריים רבים, תחבורה מטען מתרחשת בעיקר באמצעות מנגנונים מחוסנים, שבו שיעור ההעברה בין מולקולות תלויות על הפיכה אלקטרונית וארגון מחדש.

גורם המאפשר היה התקדמות מדעית משמעותית בשיפור נכסי התחבורה והגיוס של נושאות, אשר נעשה אפשרי על ידי הבנה טובה יותר של המבנה המולקולרי - מערכות יחסים הדדיות ואת הפיזיקה של התחבורה הבסיסית. ההבנה הזו הובילה לפיתוח של חומרים עם גיוס מעל 10 ס"מ / Vs), המתקרבים אלה של סיליקון amorphous.

שיטות להורדת טעינה

כמה גישות חישוביות פותחו לנתח תחבורה אחראית בחומרים ננו-מבנים, כל אחד עם כוחות משלו, מגבלות ודומיינים מתאימים של יישומים.העיצוב של יקו של חומרים מורכבים חדשים עבור המרת אנרגיה דורש מדויק, סימולציה של initio של תחבורה אחראית.הבחירה של שיטה תלויה בגודל המערכת, דיוק הרצוי, משאבים חישוביים זמינים, ומשטר התחבורה הספציפי נחקר.

תורת תפקוד הכחשה (DFT)

תורת פונקציונליות דֶסְסְסְטִי (DFT) היא שיטת מודלים מכנית קוונטית חישובית המשמשת בפיסיקה, כימיה וחומרים מדע כדי לחקור את המבנה האלקטרוני (או מבנה גרעיני) (בעיקר המדינה הקרקע) של מערכות גוף רבות, באטומים מסוימים, מולקולות, ואת השלבים המוצמדים.שימוש בתיאוריה זו, את המאפיינים של מערכת אלקטרונית רבים ניתן לקבוע באמצעות פונקציונליות - כלומר, פונקציות מסוימות, כי הוא מקבל פונקציה אלקטרונית, כמו גם מספר אחד של חומר אחד, כמו גם עבור רמה גבוהה של רמה אחת של חומרת של חומרת של רמה אחת של יעילות גבוהה של מערכת חישובית, עבור רמה אחת של מערכת אלקטרונית, כי הוא אחד של מערכת אלקטרונית, כי הוא אחד של יעילות גבוהה של יעילות.

DFT הוא בין השיטות הפופולריות והמגוון ביותר זמין בפיסיקה condensed-matter, פיזיקה חישובית, וכימיה חישובית. בהקשר של חישובי תחבורה המטען, DFT מספק את המידע למבנה האלקטרוני הדרוש כדי לקבוע פרמטרים מרכזיים כגון רמות אנרגיה, דחיות מטען, וחלוקות מסלול מולקולרית.

שיעור התחבורה הוא אחד הפרמטרים המרכזיים הקובעים את הביצועים של מכשירים אלקטרוניים אורגניים.DFT חישובים יכולים לחזות את התעריפים הללו על ידי מחשוב רכיבי הפיכה אלקטרונית, אנרגיות ארגון מחדש, ואנרגיות האתר שמשולות העברה בין יחידות מולקולריות או ננו מבנים. פונקציונליות של חילופי חליפין שונים פותחו כדי לשפר את הדיוק של DFT עבור יישומים ספציפיים, כולל פונקציונליות פונקציונליות לטווח ארוך המתאר טוב יותר מצבים של העברה.

תיאוריית תפקוד לקויה (CDFT)

בעבודה זו, אנו מציגים יישום של תיאוריית פונקציונליות צפיפות מוגבלת (CDFT) עבור חישוב הפרמטרים עבור תחבורה מטען במשטר ההיגוי. CDFT מרחיב DFT סטנדרטי על ידי מתן אפשרות לחוקרים להגביל את צפיפות האלקטרונית לאזורים ספציפיים של החלל, המאפשר חישוב של מדינות דיאביות חיוניות להבנת תהליכי העברה בתשלום. שיטה זו הוכיחה בעיקר ערך עבור לימוד מטען בחומרים מולקולריים וננוניים שבהם שולטת מנגנונים.

אנו מראים כי חלק מהשיטות הללו נותנים תוצאות לא פיזיקליות עבור תצורה מותנית, בעוד CDFT מוכיח להיות גישה מעשית וחזקה.חזקות של CDFT עושה את זה מתאים במיוחד ללימוד מערכות ריאליות שבו הפרעה תרמית ותנודות מבניות ממלאים תפקידים חשובים. על ידי חישוב ההפיכה האלקטרונית בין מדינות בעלות תשלום, CDFT מספק את הפרמטרים העיקריים הדרושים עבור תיאוריית מרקוס ותאוריות אחרות של שיעור העברה.

הגישה CDFT כוללת פתרון משוואות קוהן-שאם עם מגבלות נוספות כי הסדירו את המטען על שברים מולקולריים ספציפיים או אזורים מרחביים.זה מאפשר חישוב מדינות העברה מטען ואת ההפיכה האלקטרונית בין אתרים התורם והמקבלים.השיטה יכולה להתמודד עם ארכיטקטורות מולקולרית מורכבת, והוא כבר מיושם בהצלחה על מגוון רחב של מערכות, ממולקולות אורגניות קטנות ועד ננודורים מורחבים.

שיטת התפקוד של Noquilibrium Green (NEGF)

תוכנית זו מבוססת על פורמליזם פונקציונלי ירוק לטיפול בבעיה שאינה-קליקלריום, בשילוב לתיאוריה התפקודית של הכחשת ההכחשה כדי לתאר את המבנה האלקטרוני.השיטה של NEGF מספקת מסגרת קפדנית לחישוב תחבורה מטען באמצעות מערכות ננומטריות תחת מתחים החלים. גישה זו מתאימה במיוחד ללימוד תחבורה קוונטית בצומת מולקולרי, ננווטים ומערכות אחרות שבהן הן תופעות לוואי חשובות.

כל תיאוריה בעלת כוח חיזוי זה צריכה לציית למספר דרישות: כלומר תיאור אמין של תכונות המבנה האלקטרוני של האטומים באזור הפיזור; (2) הטיפול בעופרת באותו כף הרגל כמו אזור הפיזור; iii) אין לו פרמטרים מתאימים; iv) חישוב עקבי של תאוריית המטען בתוך האזור המפוזר בשל יישום של מתח זה; הפונקציה צריכה להיות דנוני (D) על ידי מספר זה קרוב מאוד, למרות שיתר דיוק על ידי מספר זה של מערכת שימור עצמי) עם מספר אחר של חומר חיובי (D) על פני מגוון גבוה יותר של כל דרישות חד-תועלת) על פני מגוון גבוה יותר של כל אלה, אם כי הוא חייב להיות עקבי של כל אלה, אם כי הוא חייב להיות על פני מגוון גבוה יותר של כל אחד (D) על ידי מספר חיובי של כל אחד) על ידי מספר חיובי של מערכת עקבי של חומר זה, אם כי הוא חייב להיות עקבי של חומר זה, אם כי הוא צריך להיות על ידי מספר זה, על ידי מספר אחר של מערכת עקבית (ד) עם מספר חיובי של חומר חיובי של חומר זה, אם כי הוא צריך להיות על ידי מספר חיובי של חומר זה, אם כי הוא צריך להיות על ידי מספר אחר של מערכת הגנה עצמית של ⁇ (D) על ידי מספר אחר של ⁇ ) על ידי מספר זה

הפורמליזם של NEGF מחלק את המערכת לשלושה אזורים: אזור פיזור מרכזי שבו מתרחשת הפיזיקה המעניינת, ושני אלקטרודות חצי-אינפיריות המשמשות כמקור וניקוז עבור נושאי מטען.השיטה מחשבת את ההסתברות השידור לאלקטרונים באנרגיות שונות, אשר לאחר מכן ניתן לשלב כדי להשיג את המאפיינים הנוכחיים-התקומים עם DFTs להבטיח כי המבנה האלקטרוני החל להתאים את ההטיה והפצתם.

אחד היתרונות המרכזיים של שיטת NEGF הוא היכולת שלה לכלול מנגנונים שונים פיזור באמצעות תנאים אנרגיה עצמית. אינטראקציות אלקטרון-פוניון, מתאםי אלקטרו-אלקטרוני, ואפקטים רבים אחרים בגוף ניתן לשלב ללא שינוי מהותי המסגרת התיאורטית. גמישות זו הופכת את NEGF כלי רב עוצמה להבנת מקורות מיקרוסקופיים של התנגדות ופיזור אנרגיה במכשירים ננומטריים.

מונטה קרלו סימלציה

סימולציות מונטה קרלו מספקות גישה סטטיסטית למודל תחבורה מטען על ידי הדמיה של מובילי מטען דרך חומר.שיטות אלה שימושיות במיוחד עבור חקר מערכות שבו הפרעה, תנודות תרמיות, ושיקולים מורכבים ממלאים תפקידים חשובים.בסימולציה טיפוסית של תחבורה קרלו של תחבורה, ספקים מטען בודדים הם במעקב כפי שהם הופ בין אתרים מקומיים, עם שינויים נקבעים על ידי מודלים מכניים או אמפיריים.

הגישה מונטה קרלו יכולה לכלול באופן טבעי את ההשפעות של שדות חשמליים, ⁇ טמפרטורה, ואת מרחבי ההומוגנס. על ידי הדמיה של צינורות מטען גדולים, שיטות אלה יכולים לחזות תכונות תחבורה מקרוסקופיות כגון ניידות, דיפוזיה coefficients, ואת המאפיינים הנוכחי-voltage. מונטה קרלו סימולציות הם בעלי ערך במיוחד עבור חקר מוליכים למחצה אורגניים וחומרים הפרעה שבו פתרונות אנליטיים אינם זמינים.

שיטות Kinetic Monte קרלו (KMC) מייצגות גרסה יעילה במיוחד המתמקדת באירועים החשובים ביותר באבולוציה של המערכת.במקום לסימול כל אירוע מיקרוסקופי אפשרי, אלגוריתמי KMC מזהים את המעברים האפשריים ביותר ולקדם זמן בהתאם. גישה זו יכולה להפחית באופן דרמטי את העלות החישובית תוך שמירה על דיוק, מה שמאפשר לסימולציה של תחבורה אחראית על פני קשקשים בזמן רלוונטי באופן ניסיוני.

מודלים של Drift-Diffusion

מודלים דift-diffusion מספקים תיאור מתמשך של תחבורה מטען המבוסס על הפתרון המשולב של משוואה של Poisson ומשוואות המשכיות נוכחיות.מודלים אלה מתייחסים לנושאים מטען כחלקיקים קלאסיים הנסחף תחת שדות חשמליים ודיפוזה בשל ריכוז ⁇ s. בעוד פחות מפורט מאשר גישות מכניות קוונטיות, מודלים של סחף הם יעילים חישוביים ויכולים להתמודד עם סימולציות בקנה מידה המכשיר כי יהיה בתוך שיטות מכניות בלתי פתוכות.

הגישה של סחף דורש פרמטרים קלט כגון גיוס נושאים, מזהמים דיפוזיה, ושיעורי Recombination, אשר ניתן להשיג מ חישובים מפורטים יותר או מדידות ניסיוניות.מודלים אלה משמשים באופן נרחב בתעשיית המוליכים למחצה עבור סימולציה מכשיר ואופטימיזציה, במיוחד עבור תאים סולאריים, טרנזירים, ו diodes-emitting אור.

למרות הפשטות שלהם, מודלים של סחף נותרו כלים חשובים להבנת התנהגות ברמת המכשיר ולחיבור תכונות תחבורה מיקרוסקופיות לביצועים של מכשיר מאקרוסקופי.הם שימושיים במיוחד בשלבים המוקדמים של עיצוב המכשיר, שבו השקיה מהירה וחקר פרמטר הם חשובים יותר מאשר דיוק לאומני.

פרדוקסים מרכזיים במטענים ל-Creitive Calculations

חישוב מדויק של תחבורה מטען דורש קביעת מספר פרמטרים מרכזיים השולטים בקצב וביעילות של העברת המטען. פרמטרים אלה מחברים את המבנה האלקטרוני מיקרוסקופי לתכונות תחבורה מקרוסקופיות והם קלטים חיוניים עבור מודלים וסימולציות תיאורטיות.

אלקטרוניקה Coupling

הפיכה אלקטרונית, הנקראת גם העברה בלתי-אינטגרלית או התפצלה, מאמת את עוצמת האינטראקציה האלקטרונית בין אתרים או מולקולות. פרמטר זה קובע כמה בקלות נושאת מטען יכול לנוע ממדינה מקומית אחת לאחר והוא גורם קריטי בהעברה.עם זאת, הפרטים של המבנה המולקולרי והטופולוגיה של המדינות האלקטרוניות המעורבות במנגנון התחבורה משפיעים באופן דרמטי על חומר ההפיכה האלקטרונית אפילו בחומרים הפיכה.

גודל ההפיכה האלקטרונית תלוי ברגישות באוריינטציה היחסית וההפרדה של מולקולות או ננו מבנים, כמו גם בחפיפה של תפקוד הגל האלקטרוני שלהם.במוליכים למחצה אורגניים, ערכים הפיכה טיפוסיים נעים בין כמה מ"ר למולקולות אינטראקציה חלשות למאות מ- meV עבור מערכות מעודנות מאוד. Accurate חישוב של הפיכה אלקטרונית דורש טיפול זהיר במבנה האלקטרוני וההגדרה הנכונה של מדינות בעלות מטען עצמי מעורב.

ארגון מחדש אנרגיה

אנרגיה ארגונית מייצגת את העלות האנרגיה הקשורה להרגעה מבנית במהלך העברה בתשלום.כאשר תוספת מטען או מוסרת ממולקולה או ננו-מבנה, הגיאומטריה מתאמת כדי להתאים את ההתפלגות המטען החדשה. ארגון מחדש מבני זה דורש אנרגיה ויוצר מחסום הפעלה להעברה אחראית. לאנרגיה ארגון מחדש יש שני רכיבים: ארגון פנימי הקשור לשינויים בגיאומטריה המולקולרית, וארגון חיצוני הקשור לקוטביזציה של המדיום הסובב.

חומרים עם אנרגיות ארגון נמוך בדרך כלל להציג שפעיליות בעלות מטען גבוה יותר כי מחסום ההפעלה עבור הצנרת מופחת. Rigid, מבנים מולקולריים פלאדר נוטים להיות אנרגיות ארגון מחדש נמוך יותר מאשר מולקולות גמישות כי הם עוברים פחות עיוותים גיאומטריים על טעינה. שיטות פיצוי עבור חישוב אנרגיה ארגון מחדש בדרך כלל כרוך סיבולת גיאומטריה במדינות נייטרליות והואשמו ומחשוב ההבדלים אנרגיה בין תצורה רגועה ללא רזה.

הפרעת אנרגיה ואנרגיה

אנרגיית האתר מתייחסת לאנרגיה של נושאת מטען מקומית המוכנסת באתר מסוים, מולקולה או ננודור.בחומרי גבישיים מסודרים, לכל האתרים יש אנרגיות דומות, אך במערכות לא מוגבלות, אנרגיות האתר יכולות להשתנות באופן משמעותי בשל הפרעה מבנית, זיהומים כימיים או תנודות סביבתיות.הפרעת אנרגיה זו יש השפעה עמוקה על תחבורה מטען, שכן ספקים נוטים להיות לכודים באתרי אנרגיה נמוכים, צמצום ניידות כללית.

ההפצה של אנרגיות האתר בחומר יכולה להיות מאופיינת ברוחב (פרמטר פרמטר דיסקרטי) וצורה. הפרעת גאוסיאנית מונחת בדרך כלל במודלים רבים, אך חומרים אמיתיים עשויים להציג התפלגות מורכבת יותר. מחקרים Computational יכולים לחזות התפלגות אנרגיה באתר על ידי חישוב פוטנציאל ההון או חדירות אלקטרוניות של מולקולות בסביבה מקומית, חשבונאות לאינטראקציות אלקטרוסטטיות, אפקטים קוטביים, והתאמות.

גורמים המשפיעים על תחבורה טעינה בחומרים ננו-מבנים

תחבורה המטען בחומרים nanostructured מושפע מגורמים רבים המשתרעים על פני קשקשים מרובים, ממומים ברמת אטומית למורפולוגיה מדידה. הבנה ושליטה בגורמים אלה חיונית לביצועי מכשיר אופטימיזציה והשגת תכונות חשמל הרצויות.

Defect Density ו- Types

Defects בחומרים nanostructured יכול להשפיע באופן משמעותי על תחבורה על ידי יצירת מדינות מלכודות, פיזור מרכזים או מחסומים להובלת תנועה. Point פגמים כגון vacancies, interstitials, ומכשולים תת-מגזריים יכולים להציג מדינות מקומיות בתוך ה- Bandgap כי מלכודות מטען של ספקים. . , פגמים מורחבים כמו גבולות דגנים, חסרונות, וערימות יכול ליצור מכשולים פוטנציאליים או לשנות את המבנה האלקטרוני המקומי על אזורים גדולים יותר.

ההשפעה של פגמים על תחבורה מטען תלויה ריכוז, הפצה מרחבית, ונכסים אלקטרוניים. חלק מהפגמים עשויים לפעול כמו מלכודות רדודה כי עיכוב זמני תנועה נושאת אך לאפשר שחרור תרמי, בעוד מלכודות עמוקות יכולות לצמיתות לחדור נושאות ולצמצם את הפונקציונליות.מודל ההשתול של פגמים דורש שיקול זהיר של המבנה האטומי שלהם, מדינות מטען, ואינטראקציה עם ספקים ניידים.

הנדסה Defect התפתחה כאסטרטגיה לשליטה בתכונות החומריות, שם פגמים ספציפיים מוצגים בכוונה לשנות מבנה אלקטרוני או ליצור פונקציונליות הרצויה.לדוגמה, שליטה באטומים של אי-השוויון יכולה להגדיל את ריכוז המוביל ואת מוליכות, בעוד מעבר פני השטח יכול לחסל מצבי מלכודות מזיקים.

עיגולים ומורפולוגיה

גסות פני השטח משפיעה על תחבורה אחראית בחומרים nanostructured באמצעות מנגנונים מרובים.משטחים קשוחים להגדיל את הפיזור של ספקים המטען, הפחתת ניידות והתנגדות מוגברת. in דקת סרטים, גסות פני השטח יכול ליצור וריאציות עובי סרט שמובילים להתפלגות הנוכחית לא אחידה ואזורים מקומיים של התנגדות גבוהה. למרבה הצער, האופי שלהם מייצג אתגרים חדשים שאינם נתקלו בחומרים אלקטרוניים קונבנציונליים, כגון כוח מכני מוגבל, מורפיום מורכבות וסגולות של תכונות מורכבות.

המורפולוגיה של חומרים ננו-מבנים ב mesoscale גם ממלא תפקיד מכריע בקביעת תכונות תחבורה.במנהלים למחצה אורגניים וסרטי פולימרים, סידור של דומיינים גבישיים, תואר של סדר מולקולרי, ואת הקישוריות בין אזורים מסודרים כל השפעה ביעילות כיצד האשמות ביעילות יכולות לעבור דרך החומר. Computational מחקרים של השפעות מורפולוגיה דורש לעתים קרובות גישות מרובות בקנה מידה כי גשר סימולציות אטום עם מודלים מתמשכים.

מבנה חומרי ומבנה כימי

המבנה הכימי והמבנה המולקולרי של חומרים ננו-מבנים קובעים באופן יסודי את התכונות האלקטרוניות שלהם ואת מאפייני התחבורה המטען.במוליכים למחצה אורגניים, אורך ההדבקה, התכנון וקבוצות המשתתפות כולם משפיעים על ההפיכה האלקטרונית, האנרגיה הארגונית, ואנרגיות האתר השולטות בתחבורה.גודל טבעת ההתכנסה יש השפעה גדולה על מאפייני התחבורה.

ב nanostructures אורגני, וריאציות הרכב יכול לכוון את ה- bandgap, נושאת מסה יעילה, ונכסים דיאלקטריים. Alloying, doping, ומשטח פונקציונליזציה לספק דרגות נוספות של חופש להתאים תכונות אלקטרוניות.ההקרנה משלימה של יצירות כימי הפך כלי חשוב לגילוי חומרים חדשים עם תכונות תחבורה אופטימיזציה, המאפשרים החוקרים לחקור חללים כימיים עצומים ביעילות.

היחסים בין מבנה כימי ונכסים תחבורה הם לעתים קרובות לא אינטואיטיביים, הדורשים מחקרים חישוביים שיטתיים להקמת מערכות יחסים מתקדמות למבנה. גישות למידת מכונות משולבים יותר ויותר עם חישובים ראשונים כדי להאיץ את תהליך הגילוי הזה ולזהות מועמדים חומריים מבטיחים.

השפעות טמפרטורה

לטמפרטורה יש השפעה מורכבת על תחבורה מטען בחומרים nanostructured, המשפיעים הן מנגנוני התחבורה הפנימית ואת המבנה החומרי עצמו.התחבורה האינפושתית נשלטת על ידי אלקטרון-פוניון מתפזר תהליכים בטמפרטורות T > 20 K, בעוד התחבורה הבין-פלית נשלטת על ידי מנהרה מותקפת פוני-מחוספסת.

Phon מפזרים את העלייה בטמפרטורה, צמצום הניידות של המוביל במשטרי תחבורה דמויי להקה.עם זאת, בהתחבורה, טמפרטורות גבוהות יותר יכולות להגדיל את הניידות על ידי מתן אנרגיה תרמית כדי להתגבר על מחסומים הפעלה.זה מוביל לטמפרטורות שונות של ניידות בחומרים שונים ומשטרי תחבורה, אשר ניתן להשתמש כדי לזהות את מנגנון התחבורה הדומיננטי.

הטמפרטורה משפיעה גם על המבנה החומרי באמצעות הרחבה תרמית, הפרעת מוגברת, ותנועה מולקולרית משופרת.שינויים מבניים אלה יכולים לשנות הפיכה אלקטרונית, אנרגיות אתר, ואנרגיות ארגון מחדש, המוביל להתנהגות מורכבת המבוססת על טמפרטורה. Accurate מודלים של השפעות טמפרטורה דורשות כולל גם תרומות אלקטרוניות ומבניות, לעתים קרובות באמצעות סימולציות מולקולריות בשילוב עם חישובים במבנה אלקטרוני.

השפעות שדה חשמליות

שדות חשמליים יישומיים מניעים תחבורה מטען ויכולים גם לשנות את מאפייני התחבורה עצמם.בתחומים נמוכים, היחסים בין הזרם לבין המתח הם בדרך כלל ליניאריים (התנהגות תרמית), אבל בתחומים גבוהים, השפעות לא לינאריות הופכות חשובות.

שדות חשמליים גבוהים מאוד יכולים להוביל לתופעות נוספות כגון כריתת שדה, אפקטים חמים של נושא, והתמוטטות. בתקני ננומטרי, אפילו מתחים יישומיים צנועים יכולים ליצור שדות מקומיים גבוהים מאוד בשל הממדים הקטנים, מה שהופך את ההשפעות הללו רלוונטיות במיוחד.מודלים של אפקטים שדה דורש טיפול עקבי עצמי של פוטנציאל אלקטרוסטטי וחלוקת מטען, כמו מיושם ב- NEGF וגישות סחף.

יישומים בעיצוב מכשירים אלקטרוניים

היכולת לחשב ולנבא תחבורה אחראית בחומרים nanostructured יש יישומים ישירים בעיצוב ואופטימיזציה של מכשירים אלקטרוניים שונים. nanostructured חומרים, כגון חומרים 2D, nanowires, פולימרים אורגניים, ומולקולות פונקציונליות הוכיחו תכונות חסרות תקדים ויכולות בהתנהלות נושאת, חישה, עיבוד מידע. אלה הועסקו כדי לייצר מכשירים חדשים, ביצועים גבוהים, בקנה מידה גדול תמיכה חזון של אלקטרוניקה ubitous.

▪ טרנדים אורגניים

Transistors (OFET) מייצג אחד היישומים החשובים ביותר של מוליכים למחצה אורגניים וננו-מבנים חומרים.מכשירים אלה משתמשים בחומרים אורגניים כמו שכבת המוליכים למחצה הפעילה, המציעה יתרונות כגון ייצור זול, גמישות מכנית, והתאמה עם עיבוד גדול-area.

מחקרים משלימים יכולים לזהות מבנים מולקולריים עם הפיכה אלקטרונית גבוהה ואנרגיה ארגונית נמוכה, לחזות את ההשפעה של אריזה מולקולרית על ניידות, ולדריך את העיצוב של חומרים עם אלקטרונים מאוזנים ובור תחבורה עבור מעגלים משלימים.הבנת התפקיד של ממשקים בין החומרים המוליכים למחצה וחומרים דיאלקטריים או אלקטרודה הוא חשוב במיוחד עבור ביצועים ET, שכן ממשקים אלה שולטים לעתים קרובות התנהגות.

צילום אורגני

מכשירים חשמליים (OPV) להמיר את אור השמש לחשמל באמצעות מוליכים למחצה אורגניים. Efficient המטען תחבורה חיונית עבור הפקת מטענים פוטוגניים לפני שהם recombine. Computational Modeling עוזר אופטימיזציה של תערובות התורמות, לחזות הפרדה ושיעורי תחבורה בתשלום, ולהבין מנגנוני אובדן המגבלה את יעילות המכשיר.

התרמולוגיה המורכבת של שכבות פעילות של OPV מציגה אתגרים משמעותיים עבור מודלים תחבורה מטען. גישות רב-ממדיות המשלבות סימולציות מולקולריות כדי ליצור מורולוגיות מציאותיות עם חישובי תחבורה בתשלום על מבנים אלה הוכיחו ערך להבנת מערכות יחסים ביצועים במבנה.מחקרים אלה יכולים להנחות תנאי עיבוד ובחירת חומרים כדי להשיג מורולוגיות אופטימליות עבור איסוף המטען.

מכשירים חשמליים

חומרים תרמואלקטריים להמיר את ההבדלים בטמפרטורה למתח חשמלי ולהיפך, עם יישומים בשיקום חום פסולת וקירור מצב מוצק.חומרים תרמואלקטריים יעילים דורשים מוליכות חשמלית גבוהה בשילוב עם מוליכות תרמית נמוכה, שילוב מאתגר להשגת. nanostructuring מציעה גישה מבטיחה כדי decouple תכונות אלה על ידי הצגת ממשקים כי לפזר פונים חזק יותר מאשר אלקטרונים.

מחקרים משלימים של תחבורה מטען בחומרים תרמואלקטריים nanostructured לעזור לחזות את מוליכות חשמלית ואת Seebeck coefficient כמו פונקציות של הרכב, מבנה, וטמפרטורה. חישובים אלה יכולים להנחות את העיצוב של nanocomposites, superlattices, ואדריכלות nanostructured אחרים כי למקסם את הביצועים thermoelectric.הבנת כיצד גבולות דגנים, ממשקים, פגמים, להשפיע הן על המטען והן על תחבורה חום חיוני עבור חומרים אלה.

מולקולי אלקטרוניקה

אלקטרוניקה מולקולרית שואפת להשתמש במולקולות בודדות או אסיפות מולקולריות קטנות כרכיבים אלקטרוניים פונקציונליים.שדה זה מייצג את הגבול האולטימטיבי של miniaturization, שבו מולקולות בודדות משמשות כחוטים, מתגים, או טרנזירים. חישובי תחבורה הם הכרחיים לחלוטין באלקטרוניקה מולקולרית כי את האופי הקוונטי של תחבורה לא ניתן להתעלם בקנה מידה זה.

שיטת NEGF בשילוב עם DFT הפכה לגישה סטנדרטית לחישוב המאפיינים הנוכחיים של צומת מולקולרית. חישובים אלה יכולים לחזות התנהגות, לזהות מנגנוני תחבורה (מנהרה גבוהה מול הצטברות), ולהדריך את העיצוב של מולקולות עם פונקציות אלקטרוניות הרצויות.הבנת כיצד מבנה מולקולרי, התאמה, וגיאומטריה מגע משפיע על תחבורה חיונית למימוש מכשירים מולקולריים.

חיישנים וביוסנסורים

חומרים ננו-מבנים מציעים רגישות יוצאת דופן עבור חישה יישומים בשל השטח הגבוה שלהם ותגובה חזקה לשינויים על פני השטח. התחבורה טעינה בחומרים אלה יכולה להיות מושפעת באופן דרמטי על ידי המודעות של מולקולות היעד, שינויים בכימיה של פני השטח, או תנאים סביבתיים. Computational Modeling עוזר להבין את המנגנונים הרגישות, חיזוי רגישות וסלקטיביות, וחומרי עיצוב המתאימים עבור פרדיס ספציפי.

ביוסנסורים, חישובי תחבורה מטען יכולים לחזות כיצד מחייב biomolecule משפיע על התכונות האלקטרוניות של טרנסנדורים nanowires, צינורות פחמן, או גרפן.הבנת ההפיכה בין אירועים ביוכימיים אותות אלקטרוניים חיוני לפיתוח וסלקטיבי עבור אבחון רפואי ניטור סביבתי.

טכניקות מתקדמות ופיתוחים אחרונים

תחום חישובי התחבורה בתשלום ממשיך להתפתח עם התפתחות שיטות חישוביות חדשות, שיפור אלגוריתמים וכוח מחשוב מוגבר.ההתפתחויות האחרונות הרחיבו את היקף הדיוק של סימולציות, המאפשרות את המחקר של מערכות גדולות יותר, קשקשים זמן ארוכים יותר, ותופעות מורכבות יותר.

Machine Learning Accesss

למידת מכונה משולבת יותר ויותר עם שיטות חישוביות מסורתיות כדי להאיץ חישובים של תחבורה אחראית ומאפשרת מחקר של מערכות אשר יהיה בלתי נשלט עם גישות קונבנציונליות. פוטנציאל רשת נילי ניתן לאמן על נתונים ראשוניים לספק אנרגיות מדויקות וכוחות בשבריר של העלות החישובית, המאפשר סימולציות מולקולריות של מערכות גדולות על פני קשקשים ארוכים.

מודלים של למידת מכונות יכולים גם להיות מאומן לחזות תכונות תחבורה ישירות מתכונות מבניות, עקיפה חישובים מכניים קוונטיים יקרים.מודלים אלה יכולים למסך מסדי נתונים גדולים של חומרים כדי לזהות מועמדים מבטיחים עבור יישומים ספציפיים.עבור למידה ואסטרטגיות למידה פעילה לעזור לייעל את תהליך האימון ולשפר דיוק מודל עם נתונים מוגבלים.

מודלים בקנה מידה גדול

תחבורה טעינה במכשירים מציאותיים כוללת תופעות המתרחשות לאורך מספר רב של קשקשים וקשקשים, מתהליכים מכניים קוונטיים ברמה האטומית לזרם הנוכחי בקנה מידה מכשיר. מסגרות מודלים בקנה מידה גדול המשלבות באופן חלקה רמות שונות של תיאוריה הם חיוניים לשיפוץ הפער הזה. גישות אלה עשויות לשלב חישובים מכניים קוונטיים עבור דינמיקה מבנית, מולקולרית עבור אבולוציה מבנית, קינקה קרלו עבור דינמיקת תשלום, מודלים סימולציה מתמשכת ואטומיים עבור מכשיר.

פיתוח תוכניות הפיכה עקביות ויעילות בין רמות שונות של תיאוריה נשאר תחום פעיל של מחקר.האתגר הוא להעביר מידע בין קשקשים ללא אובדן פיזיקה חיונית תוך שמירה על יכולת חישובית.

גישה בזמן-Dependent

רוב חישובי התחבורה המופקדים מתמקדים בתכונות מצב יציב או שיווי משקל, אבל תופעות חשובות רבות כרוכות בתהליכים תלויים בזמן. התיאוריה פונקציונלית צפיפות זמן תלויה צפיפות זמן (TDDFT) מרחיבה את DFT לטיפול במצבים נרגשים והפרעות תלויות בזמן, המאפשרת המחקר של photoexציטוט, הפרדה אחראית, ודינמיקה של העברת מטען מהיר.

שיטות דינמיקות מולקולריות שאינן-אדיבות שמתייחסות לאבולוציה של מעלות אלקטרוניות וגרעין של חופש הן חיוניות להבנת תהליכים שבהם ה- Born-Oppenheimer מתפרק.שיטות אלה יכולות ללכוד תופעות כגון היווצרות קוטבון, שיקום מטען, ותפקידם של מצבי רטט המאפשרים או מעכבים תחבורה.

מחשוב גבוה ופיתוח קוד

הזמינות הגוברת של משאבי מחשוב בעלי ביצועים גבוהים אפשרה חישובי תחבורה על בקנה מידה חסר תקדים.מחשבים מודרניים עם אלפי מעבדים מאפשרים סימולציה של מערכות המכילות מיליוני אטומים או חקר של חללי פרמטר עצומים. אסטרטגיות מקבילה יעילה ואלגוריתמים אופטימיזציה הם חיוניים לניצול מלא של משאבים אלה.

חבילות קוד פתוח לחישובי תחבורה בתשלום הפכו למתוחכמות וידידותיות למשתמש, מה שמפחית את המחסום לחוקרים ומאפשר אימוץ רחב יותר של שיטות חישוביות.קודים אלה לעתים קרובות ליישם שיטות מרובות ולספק מסגרות גמישות לפיתוח שיטות ובדיקה.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות משמעותית בשיטות חישוביות עבור תחבורה אחראית, מספר אתגרים נותרו להגביל את הדיוק, היקף, ואת הכדאיות של גישות נוכחיות.טיפול באתגרים אלה ידרוש המשך פיתוח השיטה, שיפור ההבנה התיאורטית, ושילוב קרוב יותר בין חישוב וניסוי.

אמינות ונאמנות

הדיוק של חישובי תחבורה המטען תלוי באופן ביקורתי על איכות שיטת המבנה האלקטרוני הבסיסית ואת התוספתן של תורת התחבורה.DFT, תוך שימוש נרחב, יש מגבלות ידועות בתיאור מדינות העברה מטען, אינטראקציות ואן דר וואלים, ומערכות מתואמות מאוד. DFT לפעמים לא מתאר כראוי: אינטראקציות בלתי אורכות (חשיבות קריטית להבנה של תגובות כימיות), במיוחד מערכות עור (חומרי לחץ), ופעולות מוליכים למחצה; כמה מערכות מוליכים למחצה;

פיתוח שיטות מדויקות ואמינה יותר שיכולות להתמודד עם מגוון רחב של חומרים ותופעות רלוונטיות לתחבורה המטען נשאר אתגר מתמשך.מחקרי Benchmark השוואת שיטות שונות ואימות נגד חישובים כימיה קוונטית ברמה גבוהה או נתונים ניסיוניים חיוניים להקמת האמינות של תחזיות חישוביות.

גודל מערכת ומורכבות

מערכות מציאותיות רבות של עניין עבור יישומי מכשיר אלקטרוני כרוכות במורולוגיות מורכבות, רכיבים מרובים, וגדלים במערכת גדולה שמאתגרים את יכולות החישוביות הנוכחיות.סימול תחבורה מטען במבנה שלם עם ממדים מציאותיים וחשבונאות עבור כל התהליכים הפיזיים הרלוונטיים נותר מעבר להשגה עבור רוב שיטות העדיפות הראשונה.פיתוח התאמות יעילות וגישות מרובות בקנה מידה שיכול לטפל המורכבות הזו תוך שמירה על הדיוק החיוני הוא קריטי.

האופי הסטטיסטי של חומרים מהפרעה מציג אתגרים נוספים, כפי שתחזיות משמעותיות דורשות לעתים קרובות מעבר לתצורה רבות כדי להסביר עבור הפרעה מבנית ואנרגטית. ליצור צ'קים ייצוגיים וביצוע מספיק דגימה כדי להשיג תוצאות מתכנסות יכול להיות תובעני חישובי.

שילוב עם ניסוי

שילוב קרוב יותר בין תחזיות חישוביות ומדידות ניסיוניות חיוני לשיטות אימות, מודלים מסדירים, והשגת חומרים תגליות.שימוש בגישה מבוססת כוח, אינטראקציה של מגעים עם חומרים ננו-מבנים הייתה אופטימיזציה ומשטר כוח זוהה המאפשר מדידה אמינה וחזור ללא נזק על חומרים 2D וסרטים ממונוניים.

פיתוח פרוטוקולים סטנדרטיים להשוואה בין תוצאות חישוביות וניסוייות, חשבונאות עבור הבדלים בתנאים ובהגדרות, והקמת לולאות משוב בין תיאוריה וניסוי ישפר את ההשפעה של מחקרים חישוביים.

חומרים מתפתחים ו Phenomena

כיתות חדשות של חומרים ממשיכות להופיע עם תכונות חדשניות ותופעות תחבורה מאתגרות מסגרות תיאורטיות קיימות. שני חומרים תלת-ממדיות, אינסולטורים טופולוגיים, דוטים קוונטיים, ו perovskites אורגניים אורגניים-אורגניים כל אחד מהם מאפיינים ייחודיים שעשויים לדרוש טיפול מיוחד.פיתוח שיטות חישוביות שיכולות לטפל בחומרים מתעוררים אלה ולחזות את התכונות שלהם הוא חיוני להנחיית מאמצים ניסיוניים ולשיפור ההתפתחות שלהם עבור יישומים.

הבנה וניצול של אפקטים קוונטיים כגון קוהרנטיות, סבך, והגנה טופולוגית בתחבורה אחראית מייצגת גבול מרגש.תופעות אלה עשויות לאפשר פונקציונליות חדשה ושיפור ביצועים, אבל הן דורשות טיפולים תיאורטיים מתוחכמת שאינם מעבר לתיאוריות תחבורה קונבנציונליות.

שיטות עבודה טובות ביותר עבור טעינה

ביצוע חישובים של תחבורה אמינה דורש תשומת לב זהירה לפרטים חישוביים, נהלי אימות ופרשנות של תוצאות.לאחר שיטות עבודה מבוססות הטוב ביותר מסייע להבטיח את האיכות והחינוך מחדש של מחקרים חישוביים.

בחירת שיטות ואימות

בחירת שיטת חישוב מתאימה תלויה במערכת תחת לימוד, משטר התחבורה, הדיוק הרצוי, ומשאבים חישוביים זמינים. עבור מערכות מולקולריות קטנות שבו נדרשת דיוק גבוה, שיטות המבוססות על תפקוד הגל או פונקציונליות DFT ברמה גבוהה עשויים להיות הכרחי.עבור מערכות גדולות יותר או סימולציות בקנה מידה מכשיר, שיטות משוערות יותר או גישות מרובות הופכות חיוניות.

אימות השיטה שנבחרה נגד נתונים ניסיוניים, חישובים ברמה גבוהה יותר, או דידכי ביצועים מבוססים הוא חיוני לפני החלת אותו במערכות חדשות.בדיקות התכנסות שיטתיות ביחס לקבוצות בסיס, ניתוחי נקודות k-point, ופרמטרים מספריים אחרים להבטיח כי התוצאות אינן חפצים של דיוק מספרי לא מספיק.

שיקולים סטרקטיים

המודל המבני המשמש חישובי תחבורה אחראית משפיע באופן משמעותי על התוצאות.עבור חומרים גבישיים, הבטחת אופטימיזציה גיאומטריה נאותה ושימוש בתאי יחידה מתאימים הוא חיוני.עבור חומרים מהפרעה, יצירת הרכבים מבניים באמצעות דינמיקות מולקולרית או שיטות דגימה אחרות הוא הכרחי כדי ללכוד את ההשפעות של הפרעה.

מבני ממשק דורשים טיפול מסוים, שכן הפרטים בקנה מידה אטומי של ממשקים יכולים להשפיע באופן דרמטי על תחבורה מטען.מודלים ממשק ריאליסטי צריכים לקחת בחשבון עבור שחזורים אפשריים, interdiffusion ואפקטי זנים. עבור חומרים אורגניים, בהתחשב בהתאמות מולקולריות מרובות סידורי אריזה עוזר להעריך את הרגישות של תכונות תחבורה לוויריאציות מבניות.

מטבוליזם ואנליזה

מימוש פרמטרים כגון הפיכה אלקטרונית, ארגון מחדש אנרגיה, ואנרגיות האתר של חישובים במבנה אלקטרוני דורש הגדרה זהירה של הכמויות הרלוונטיות ויישום עקבי של המתודולוגיה שנבחרה. הגדרות שונות ותכניות החילוץ יכול להניב ערכים מספריים שונים, כך ברור מסמך הגישה המשמש חיוני לחידוש.

ניתוח התוצאות במונחים של מנגנונים פיזיים ומערכות יחסים פרוספקטיביים מספק תובנות מעבר לתחזיות מספריות גולמיות.זיהוי אילו גורמים מגבילים את התחבורה, הבנת התפקיד של תכונות מבניות שונות, ומקשרים תוצאות חישוביות לתופעות נסיונות הניסוייים משפר את הערך של מחקרים חישוביים.

מסקנה

תחבורה מטען בחומרים nanostructured הפך כלי חיוני להבנה וקידוד ביצועי מכשירים אלקטרוניים.טווח מגוון של שיטות חישוביות זמין - החל מגישות מכניות קוונטיות קוונטיות לסימולציות מכשיר מתמשך - מספק חוקרים עם יכולות עוצמתיות לחיזוי תכונות חומריות, הבנה מנגנוני תחבורה, והנחיית מאמצים ניסיוניים.

תורת התפקוד של הכחשת ההכחשה והרחבות שלה, כולל DFT מחוספס, לספק מידע מבנה אלקטרוני מדויק המשמש כבסיס לחישובי תחבורה.השיטת הפונקציה של Noquilibrium Green מציעה מסגרת קפדנית עבור תחבורה קוונטית במערכות ננומטריות, בעוד מונטה קרלו סימולציות ומודלים של סחף-dif מאפשרות את המחקר של מערכות גדולות יותר ודרגות זמן ארוכות יותר.

הגורמים המשפיעים על תחבורה מטען בחומרים nanostructured הם רבים ומחוברים, המשתרעים מפגמים בקנה מידה אטומי למורפולוגיה mesoscale. Defect, צפיפות פני השטח, הרכב החומרי, הטמפרטורה, ושדות חשמליים כולם ממלאים תפקידים חשובים בקביעת תכונות תחבורה. מחקרים Computational לעזור לסבך את ההשפעות הללו וזיהוי אסטרטגיות עבור אופטימיזציה.

יישומים של חישובי תחבורה תשלום משתרעים על מגוון רחב של מכשירים אלקטרוניים, כולל טרנזיסטורים אורגניים, photovoltaics, thermoelectrics, אלקטרוניקה מולקולרית וחיישנים. בכל מקרה, מודלים חישוביים מספק תובנות מאיצות פיתוח ומאפשרות עיצוב רציונלי של חומרים וארכיטקטורה מכשירים.האבולוציה המתמשכת של שיטות חישוביות, המונעת על ידי התקדמות באלגוריתמים, אלגוריתמים, תיאוריה, ומחשוב, מבטיח להרחיב את ההשפעה של גישות אלה.

במבט קדימה, התמודדות עם אתגרים שנותרו דיוק, גודל מערכת ושילוב עם הניסוי תהיה חיונית למימוש הפוטנציאל המלא של מחקרי תחבורה חישוביים.התקדמות גישות המבוססות על למידה מכונה, מודלים בקנה מידה רב, ושיטות תלויות זמן מציעים אפשרויות מלהיבות למגבלות הנוכחיות.כפי יכולות חישוביות ממשיכות לגדול ושיטות בוגרות, את התפקיד של חישובים בהצבת הפיתוח של חומרים אלקטרוניים הדור הבא והמכשירים יהיו רק להגדיל.

(ב) חוקרים ומהנדסים העובדים בתחום זה, נשארים נוכחיים עם התפתחויות מתודולוגיות, לאחר שיטות הטובות ביותר, ושמירה על קשרים הדוקים בין תיאוריה לניסוי הם חיוניים.המשאבים הזמינים באמצעות קוד פתוח, מסדי נתונים מקוונים, ורשתות מחקר שיתופיות מספקות הזדמנויות חסרות תקדים לקידום ההבנה שלנו של תחבורה אחראית בחומרים ננו-מבנים (Norwestructured) לקבלת מידע נוסף על חומרים חישוביים, בקר ב-F:0LTs ProjectFalsalsalsals, לדוגמה, ניתן למצוא את ה-D2F:

תחום התחבורה המופקד בחומרים ננו-מבנים יושב בצומת של פיזיקה, כימיה, חומרים מדע והנדסה, הדורש גישות בין-תחומיות ושיתוף פעולה. בעודנו ממשיכים לדחוף את גבולות הצמצום ולפתח חומרים חדשים עם תכונות מותאמות, היכולת לחשב במדויק וחיזוי התנהגות תחבורה מטען יהיה יכולת קריטית לגילוי מדעי וחדשנות טכנולוגית.