מבוא: ההבטחה של הנדסה סטרין בחומרים משניים

שני חומרים (2D) הפכו את הנוף של פיזיקה חומר מזוההה ומדע חומרים מאז בידוד של גרפן בשנת 2004. גבישים דקים אטומיים אלה מציגים תכונות אלקטרוניות, מכניות אופטיות יוצאי דופן לעתים קרובות על פני העמיתים שלהם רובה.עם זאת, הכוח האמיתי של חומרים אלה אינו משתנה ממצב אלקטרוניקה גמיש, אלא מהיכולת לכוון את התכונות שלהם באמצעות הפרעות חיצוניות.

סימולציות Computational ממלא תפקיד קריטי בהנדסה זנים כי הם מאפשרים למדענים לחזות ולהבין את ההשפעות של זן על תכונות אלקטרוניות לפני ניסויים יקרים וזמניים מתקדמים מבוצעים.טכניקות כגון תיאוריית פונקציונליות צפיפות (DFT), דינמיקות מולקולריות (MD), מודלים מתוחים חזק, מכניקת שתן מספקת תובנות משלימים בקנה מידה אחר וקצב הזמן.

יסודות של שני חומרים דיסמנטליים ו- Strain

מה הופך את שני החומרים למיוחדים?

(ב) חומרים הם מוצקות גבישיים המורכבים משכבה אחת או כמה שכבות אטומיות מופחתות שלהם מצטברות לאפקטים של מחזור קוונטי ויחסי פני השטח הגבוהים במיוחד למנה אחת (דוגמאות מפתח כוללות גרפן (a Zero-bandgap Semimetal), מעבר dichalcogenides (TMDs) כגון:0SagonFir2LT3, ו-F2Fir)

סוגים של מכנית סטרין

סטרין מוגדר כעיוות יחסי של חומר בהשוואה לתצורת שיווי המשקל שלו.בסימולציות, זן הוא בדרך כלל מוחל על ידי דרוג הווקטורים של התא או על ידי הפעלת כוחות חיצוניים לעמדות אטומיות.

  • (ב) [ה]: [ה]] [ה]] [ה]] [ה]], [ה], [ה], [ה], [ה], [ה], [ה], [ה],] בגרפן], ניתן להיות צאצאים (התחריגש"ע) או דחוסים.
  • (FLT:0) זנים ביאניקליים:FLT:1rea שווה עיוות לאורך שני צירים אורטוקונים, המשמש לעתים קרובות כדי לדמות מתיחה או דחיסה איזוטרופית.
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) במטוס לעומת OUT-of-plane מתוח: 1 In-plane שולט ברוב הניסויים על פי תפישות נתמך או מושעה, אך מחוץ למטוס (בending או riping) מתרחש גם והוא יכול להשפיע על תכונות אלקטרוניות באופן שונה.

סטרין יכול להיות אחיד (הוגני) או לא אחיד (למשל, בשל התמדה מקומית, מתקפל או דפוס תת-קרקעי). סימלוציות מתחילות לעתים קרובות עם זנים אחידים כדי לבסס מגמות בסיסיות, ולאחר מכן לשלב ⁇ עבור תרחישים של מכשירים ריאליים.

שיטות לסימולציה עבור Simulating Strain Effects

תורת תפקוד הכחשה (DFT)

DFT הוא השיטה הנפוצה ביותר בשימוש נרחב ביותר (FLT:0)b InitiociophFLT ( 1 שיטה לחיזוי המבנה האלקטרוני של חומרים מתוחים 2D. זה מתייחס למערכת האלקטרונית הרבים דרך משוואות קוהן-שאם, יישום אפקט החלפת חליפין עם פונקציונליות כגון LDA, GGA (BE), או פונקציונליות היברידית כמו HSE06 כדי לדמות חוקרים באופן שיטתי של תפקוד תאים אטומיים (סימולציות) ולהפחית את תפקודים יעילים של פונקציות אטומיים של פונקציות (patti) אטומיות).

מחקרים DFT חשפו מגוון של תופעות מתוחות:

  • (FLT:0)Bandgap הנדסה: FLT:1, זן Tensile בדרך כלל להפחית את ה-Sgap של TMDs מוליכים למחצה, בסופו של דבר גרימת מעבר חצי-מוליכים למחצה ל-metal בערכים קריטיים (למשל, 10% עבור FLT:2MoS2FLT 3).
  • (FLT:0) שדות פסאוד מגנטיים מושרה: FIRLT:1 בגרפן, זן לא חד-ממדי יוצר שדה פסאוד מגנטי שיכול לעלות על 100 T, המוביל לספקטרום דמוי לנדאו ללא שדה מגנטי חיצוני.
  • (FLT:0 שינויים בניידת נושא:FLT:1 Strain משנה את ההמונים היעילים של אלקטרונים וחורים, אשר משפיע ישירות על מוליכות.לדוגמה, זן רבילי ב זרחן מפחית את ההמונים היעילים אנזוטרופיים, שיפור תחבורה בכיוונים מסוימים.

למרות ההצלחות שלה, DFT עומד בפני מגבלות.תפקודים סטנדרטיים מזלזלים ב-Sgaps, ו (semi)local פונקציונליs עלול להיכשל עבור מערכות מתואמות מאוד. התאמות כגון DFT+U או פונקציונליות היברידית הם לעתים קרובות הכרחיים עבור תחזיות מדויקות, אם כי בעלות חישובית גבוהה יותר.

Molecular Dynamics (MD) Simulations

סימולציות MD מודל הזמן של אטומים תחת פוטנציאל בין-אטומי נתון (שדה כוח) עבור חומרים 2D, שדות כוח תגובתי כמו REBO, AirEBO, או פוטנציאל טרזור יכול ללכוד שובר אג"ח, היווצרות פגם, ושינויים מבניים במהלך זן MD הוא שימושי במיוחד עבור לימוד:

  • (ב) [ה]היציבות המרבית: [ה]: [ה] [ה] [ה]]] [ה]]] [ה]]] [ה]ההההרבי] [הרבי] [ה]] [החומר] המרבי [הרבי] יכול לעמוד לפני הכנעה או ה'], למשל, ה MD מראה כי גרפן הפריזאי יכול לעמוד עד 25% לפני הכישלון, ואילו [ה] לפני ה' [ה], ואילו [ה] [ה] [ה] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'[ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'], [ה'] [ה'] [ה'] [ה'[ה'] [ה'[ה'] [ה'[ה'] [ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[
  • (FLT:0) דינמיקות של ד"ר:1 Vacanciescies, גבולות דגנים, ופירוק יכול לנקב ולהפיץ תחת לחץ, דהור נכסים אלקטרוניים מסייע לכמת את ההשפעות הללו.
  • (FLT:0) השפעות חריגות: 1FLT בטמפרטורה סופית, רטטים אטומיים אינטראקציה עם זן, שינוי סימולציות של להקהות וניידות. MD בשילוב עם DFT (באמצעות MD ראשון) לספק תמונה ריאליסטית.

עם זאת, MD קלאסי מבוסס על פוטנציאל אמפירי אשר עשוי לא לתאר במדויק אפקטים אלקטרוניים. גישות היברידיות כי זוג MD עם DFT (או חזק-binding) הם לעתים קרובות מועסקים כדי ללמוד מעברים אלקטרוניים הנגרמים על ידי זנים.

המונחים: TB) and kp Methods

לצורך לימוד מערכות גדולות יותר או קשקשים ארוכים, מודלים הדוקים של משא ומתן מציעים פשרה בין מהירות דיוק. TB המילטון הם פרמטרים מהנתונים DFT ויכולים לשלב מתוחים על ידי דחיסות חלקיקים ואנרגיות באתר על פי שינויים אורך האג"ח.תוכנית Slater-Koster משמשת בדרך כלל כדי לתאר חיסרון תלוי בגרף ו- TMDs. באופן דומה, טרה-ptrapation התיאוריה (למשל, תופעות לוואי של קית') יכולות ללכוד את ההשפעות של קית'נדרמטיות'נדרמטיות') קרוב לחיקוי (Koster).

עקבו אחרי Machine Learning

ברמה המקרוסקופית, מודלים של רצף (ניתוח אלמנט פיננסי) יכולים לדמות התפלגות זנים של מכשיר מציאותי גיאומטריה מכשיר גיאמטריה, כגון קמטים או bent membranes.מודלים אלה מספקים תנאים גבול עבור סימולציות אטום. לאחרונה, למידת פוטנציאלים בין-אטומיים (MLIPs) מאומן על נתונים DFT הופיעו ככלי רב עוצמה.

מפתחי חיפוש מ- Strain Simulations in Specific 2D Materials

Graphene

הקונסטנט של Graphene הופך אותו ל- Zero-gap סמימטרל. סטרין יכול לשנות את נקודות הדיאק, תחת מתח לא-שיקלי, לפתוח להקה (עד -0.3 eV ב 10%) על ידי שובר סימטריה של סואטס. עם זאת, הפער הוא קטן ולעתים קרובות סגור על ידי היווצרות קרוע.

(ב) , (הופנה מהדף ויקרא י"ד): "ה' (ב) ויקרא י"ד:2672,2,2,3)

מונושכבת TMDs יש להקה ישירה בזן של FLT:0Kears 1 נקודה. DFT סימולציות לחזות באופן עקבי ירידה ליניארית של ה-Bgap עם זנים רביליים, בשיעור של בערך 0.1V ל-%.עבור FLT:2MoS2FLT 3, הפערים הסגורים לחלוטין - 10% מעלות צלזיוס, עלולים להיות תחת דחיסה רחבה של סרטן, תחת דחיסה אחורית של סרטן, ו- 2.

Phosphorene

Phosphorene מציג זן אורתאוקומה puckered ו zigzag ⁇ עם תכונות אלקטרוניות מכניות מאוד. Simulating זנים uniambic לאורך הזרועir ו zigzag כיוונים מגלה הבדלים דרמטיים: זן רבילי לאורך כיוון שביתת הזרוע במהירות להפחית את ה-Sgap, בעוד zigzag יש השפעה חלשה יותר. זה anisotropy גורם enepetphoenes עבור כל דחיסות סטרומטרים שונים.

Beyond Binary Compounds: Hetero Structures and Janus Materials

(ב) סימולציות סטרין מתרחבות גם ל- 2D hetero Structures (למשל, FLT:0.102FLT:1/03FLT:2WS2IRFLT 3 ערימה אנכית) ו- Janus monolayers (למשל, FLT:4MoSSeFalLT:5 שונה עם אטומים מכל צד, לדוגמה, קידודים חשמליים)

תגיות: Strain Simulation Finds

אלקטרוניקה גמישה ומתיחה

היכולת לחזות כיצד זנים משנה את ההתנהגות ואת ה- bandgap מאפשר למהנדסים לעצב טרנזיסטורים מבוססי 2D-חומרי, שערי לוגיקה, ואת מכשירי זיכרון הפועלים באופן אמין תחת עיוות מכני.סימולציה להנחות את הבחירה של חומרים וזנים אשר שומרים על ביצועים אלקטרוניים רצויים. לדוגמה, FLT:0MoS2FR2FR1LT:1-אפקטים (F) לשמור על רמות גבוהות על פני 2 / ירידה, 000 על פני זרם גבוה.

חיישנים של סטרין ולחצים

חומרים 2D רגישים לזן בגלל השינוי הגדול בתכונות אלקטרוניות לעיוות יחידה.סימולציות מסייעות אופטימיזציה של גורמי המד - היחס של שינוי ההתנגדות היחסית לזן החל - אשר יכול לעלות על 1000 במספר מכשירים גרפן מתוחים. על ידי מודל התגובה של חומרים שונים ל- uniaxial, biaal, ו זנים Shear, החוקרים יכולים לעצב חיישנים עם רגישות גבוהה וכיוון ספציפי.

Strain-Engineered Optoelectronics

סטרין משנה את ה-Sgap ומודולפיפטה אופטית ו-Fal פליטה spectra. Simulations לחזות כי זן Tenile יכול לשמור על ה-Sgap ישירות ב- TMDs תוך צמצום גודלו, מה שהופך אותם פולטים אור טונה באזור הסמוך-infrared.זה יש השלכות על נוריות מתוחות, לייזרים, ופוטקים משולבים לתוך תת-מת גמישים.

▪ אנרגיה חשמלית קצירת

יאןוס 2D חומרים ו- non-centroסימטרי TMDs להציג את ⁇ אשר הוא מאוד מאופיין על ידי זנים. DFT סימולציות של FLT:0MoSSeigFLT:1 מראה כי coefficient שלו coefficients (FLT:2eFLT 3:1011FLT:5 מגביר ליניארי עם זנים פנינים מאפשר את העיצוב של צינורות אנרגיה מכניים לתוך צינורות אנרגיה מכניים.

אתגרים ומגבלות בסימולציות הנוכחיות

למרות הכוח המפחיד שלהם, סימולציות מתוחות מתמודדות עם כמה מכשולים:

  • (FLT:0) חישובים מלאים של DFT עבור תאי סופר גדולים (נזקקים למחקר זנים או פגמים שאינם חד-ממדיים) נשארים יקרים.
  • (FLT:0) דיוקנות של פונקציונליות של החלפת-שחיתות: FLT:1 סטנדרטי DFT פונקציונליות נוטה להמעיט בלהקות, ועשויה לתאר באופן לא נכון מעברים המושרה על ידי זנים, במיוחד ליד הזן הקריטי.
  • (FLT:0 Temperature and aharm:ראה LT:1 , רוב הסימולציות מבוצעות ב 0 K בטמפרטורות סופיות, נפיחות מושרה והתרחבות תרמית יכול לשנות את ההשפעות של זן ראשון MD יכול לשלב אלה אבל מוסיף מורכבות.
  • (FLT:0) אימות של ניתוח: FIRLT:1 ; ערכים מתוחים לעתים קרובות להניח סדר גבישי מושלם. דגימות אמיתיות מכיל פגמים, קמטים, ו substrates שמשנים את ההפצה בפועל. השוואות ישירות עם ניסויים דורש מודלים זהירים של גורמים אלה.
  • (FLT:0Strain Limit Limit Limit andשבר:FLT:1 Simulations יכול לחזות את הכוח האידיאלי, אבל חומרים אמיתיים עשויים להיכשל מוקדם יותר בשל סדקים או שטף טרום-הקצה.MD עם פוטנציאל תגובתי מסייע, אבל הפוטנציאלים עשויים להיות חסרי דיוק לכל מצבי הדה.

כיוונים עתידיים ב- Strain Simulation של 2D חומרים

Machine-Learning-Enhanced Simulations

פוטנציאל למידה בין-אטומים מאומן על נתונים DFT הם מאיצים במהירות סימולציות זנים. הם יכולים לחקור חללים ענקיים של פרמטר זנים (כולל טמפרטורה, קצב מתח וסוגי פגם) בתוך דקות ולא שבועות.רשתות עצביות, בפרט, להראות הבטחה לחיזוי תכונות אלקטרוניות (bandgap, DOS) ישירות מתצורה אטומית תחת.

Multiscale and Multiphysics Coupling

העבודה העתידית תשלב סימולציות אטום עם מודלים סופיים מתמשך כדי לגשר על הפער בין ננומטרים למיקרומטרים בקנה מידה מכשיר.זה חיוני לתכנון מכשירים מעשיים מתוחים עם זנים שבהם שדות זנים הם לא חד-מיניפור.בנוסף, הפיכה עם שדות חשמליים, משאבה אופטית אופטית, ושדות מגנטיים במסגרת סימולציה אחת יחשפו תופעות חדשות, כגון קרחונים מבוקרים והובלת ספין-מחץ.

סקר מהיר של חומרים SUI 2D

מסדי נתונים משלימים כמו פרויקט חומרים ו 2DMatPedia ניתן למסך חומרים שהלהקהgap, ניידות, או משככי כאבים מגיבים חזק למתח. למידת מכונה יכולה לחזות את התגובה של מבנה גבישי בלבד, המאפשר גילוי מהיר של חומרים מועמדים עבור אלקטרוניקה גמישה.

הנדסה תחת סטרין

לעיתים קרובות, ניתן להשתמש בלחצים כדי לשלוט בתכונות שלהם.לדוגמה, זן רבייה יכול לשפר את הרגע המגנטי של ריקנות ב-FLT:0 (MoS2teauFLT:1 או לשנות את מצב הטעינה.

מסקנה

סימל את ההשפעות של זן מכני על התכונות האלקטרוניות של חומרים 2D הוא אבן הפינה של עיצוב חומרים מודרניים.באמצעות DFT, MD, חזק-binding, וגישות למידת מכונה מתפתחת, החוקרים צברו תובנה חסרת תקדים לגבי האופן שבו מכווני עיוות, ריבוי חומרים אופטיים, תגובות אופטיות, ואפילו גורם למצבים קוונטיים אקזוטיים.