載流子遷移率計算
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
載流子遷移率計算的視頻教程
擴展有限元（XFEM）二維裂紋能量釋放率、三維裂紋應力強度因子、裂紋疲勞擴展計算
基于ABAQUS，采用擴展有限元方法，計算二維裂紋能量釋放率、三維裂紋應力強度因子，以及裂紋疲勞擴展速率等力學行為
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載流子遷移率計算的實例教程
載流子遷移率通常指半導體內部電子和空穴整體的運動快慢情況，是衡量半導體器件性能的重要物理量，例如對石墨烯、黑磷等二維材料展現出的高載流子遷移率的研究。由于電子在運動過程中不僅受到外電場力的作用，還會不斷的與晶格、雜質、缺陷等發生無規則的碰撞，導致計算載流子遷移率的難度很大。本文基于形變勢理論方法為基礎，介紹了二維材料電子和空穴的有效質量與載流子遷移率的計算方法。這種方法沒有考慮電子和聲子(晶格振動)以及電子與電子之間的相互作用等因素，計算結果存在一定的誤差，但是相比于基于玻爾茲曼輸運理論采用Quantum-ESPRESSO 和 EPW 軟件計算載流子遷移率的方法，經濟實惠且結果在可接受的范圍之內，是計算載流子遷移率常見的方法。
二維材料載流子遷移率可以根據下式計算：
其中，m∗是傳輸方向上的有效質量，T是溫度，kB是玻爾茲曼常數。
E1表示沿著傳輸方向上位于價帶頂 (VBM)的空穴或聚于導帶底(CBM)的電子的形變勢常數，由公式確定，其中ΔE為在壓縮或拉伸應變下CBM或VBM的能量變化，l0是傳輸方向上的晶格常數，Δl是l0的變形量。
md是載流子的平均有效質量，由下面公式定義：
C2D是均勻變形晶體的彈性模量，對于2D材料，彈性模量可以通過下面公式來計算 ，其中E是總能量，S0是優化后的面積。
本公式的單位：
md(kg)、E1(J)、C2D(J/m2)、e(C)、g(J*s)、e(J/K)、m*(Kg)、
使用的工具：VASP5.4.4版本及以上、vaspkit、origin。
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展開 然而，單層的二維金屬硫屬化物往往具有較低的載流子遷移率并且在不同實驗條件下測量結果不盡相同，且通常在室溫下小于300 cm2V-1s-1。作為對比，硅和砷化鎵在室溫下其電子遷移率約為1400和8500 cm2V-1s-1 。這個顯著的差距極大的限制了二維金屬硫屬化物作為高遷移率半導體組件的應用，因此，充分理解遷移率限制因素以及找到較高遷移率二維半導體材料極其重要。
載流子遷移率的大小表征了電子和空穴被電場驅動時的輸運速度，其大小取決于材料內部的散射機制。本征遷移率由聲子散射所決定。形變勢理論被廣泛應用于計算材料的本征遷移率。然而，通常的形變勢理論只考慮了縱聲學聲子的散射。這些簡化使得形變勢理論給出的遷移率不夠準確甚至是錯誤的。要給出更為準確的遷移率，我們需要計算每一個散射過程的電聲子散射矩陣元。
【成果簡介】
近日，JACS在線刊登了美國得克薩斯大學奧斯汀分校的程龍博士和劉遠越教授(通訊作者)發表的題為“What Limits the Intrinsic Mobility of Electrons and Holes in Two Dimensional Metal Dichalcogenides?”的文章 （J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b07871）。此文利用密度泛函微擾理論和電聲子瓦尼爾插值得出電聲耦合矩陣，研究了一系列二維金屬硫屬化物的本征遷移率。研究發現，與常規認知不同，二維金屬硫屬化物的本征載流子遷移率既不與有效質量顯著相關，也不能通過廣泛使用的形變勢理論來評估。大多數二維金屬硫屬化物的遷移率取決于縱向光學(LO)聲子散射，而對于MoS2和WS2，其遷移率則取決于縱向聲學(LA)聲子散射。
展開 來源 | Nano-Micro Letters 原文 | https://doi.org/10.1007/s40820-023-01032-6 01 背景介紹 石墨烯納米膜是石墨烯的體相形態之一，其繼承了單層石墨烯的原子結構和電子、聲子行為特征，同時具有寬的作用截面、長的載流子弛豫時間，是良好的熱學、電學以及光電研究平臺。目前，石墨烯納米膜的可控制備尚未實現。本文以氧化石墨烯(GO，杭州高稀科技)/聚丙烯腈(PAN)復合薄膜為前驅體，利用基底替換和協同石墨化策略，制備了大面積、密堆積的組裝石墨烯納米膜(nMAG)(橫向尺寸，20cm；厚度范圍，50-600 nm)。nMAG具有良好的電學性能：載流子遷移率，1540 cm2V?1 s?1；電導率，2.04 MS m?1；載流子壽命4.7 ps。將其應用于電磁屏蔽，nMAG的高電導率降低了其最低商用厚度(100 nm，20 dB)；將其應用于紅外探測，nMAG的強光致熱發射效應將石墨烯/硅二極管的響應波長從1.5 μm擴展到了4 μm。此外，作者將nMAG(200 nm)和聚乙烯醇(PVA)層層組裝成10 μm厚的石墨烯膜，通過PVA的分解構建nMAG氣體逸散通道，抑制氣囊的產生、降低組裝石墨烯厚膜的褶皺密度，進而提升薄膜導電、導熱能力。 展到了4 μm。此外，作者將nMAG(200 nm)和聚乙烯醇(PVA)層層組裝成10 μm厚的石墨烯膜，通過PVA的分解構建nMAG氣體逸散通道，抑制氣囊的產生、降低組裝石墨烯厚膜的褶皺密度，進而提升薄膜導電、導熱能力。 02 成果掠影 浙江大學高超課題組以氧化石墨烯(GO，28 μm，杭州高稀科技)/聚丙烯腈(PAN)薄膜為前驅體，利用基底替換和協同石墨化策略，制備了大尺寸和緊密堆疊的組裝石墨烯納米膜(nMAG，橫向尺寸20 cm，厚度范圍50-600 nm)。
展開 相比于塊狀結構，在薄層結構中層間電荷遷移阻力減小，光生電荷的擴散距離大幅縮短，使得載流子快速遷移至表面參與反應。同時，構建各向異性共暴露晶面被認為是一種使光生電子和空穴實現晶面選擇性高效空間分離的新手段，電子和空穴沿不同方向向表面遷移可以有效抑制其在體相和表面的復合程度，極大促進光催化性能。然而目前這兩種手段還很少被同時用于調節光生電荷遷移與空間分離。能否利用層結構調控與暴露晶面協同作用促進CO2還原性能增強是一項很值得探索的課題。
【成果簡介】
中國地質大學（北京）材料科學與工程學院資源綜合利用與環境能源新材料創新團隊黃洪偉教授、張以河教授與紐卡索大學馬天翼博士指導博士生陳芳，以層狀鉍系材料BiOIO3單晶納米片為研究對象【之前該課題組已經通過增強宏觀極化來提高此材料的電荷分離和光催化以及壓電催化性能（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 11860–11864）】，可控制備了厚度可調的BiOIO3{010}/{100}晶面結，用于高效光催化轉化CO2氣體。通過控制合成條件，實現了BiOIO3單晶納米片沿[010]方向（層堆積方向）厚度的逐漸減小，從而縮短了體相電荷向表面的遷移距離，增強了光催化性能。然而研究人員發現該納米片并不是厚度越薄性能越高，當{010}面暴露比例為77.4%時，BiOIO3納米片光催化性能最高， 其CO2還原制CO產率達到其塊體的300%。通過結合對不同晶面的第一性原理計算和選擇性光沉積實驗發現，{010}晶面為電子聚集的還原位點面，而{100}為空穴聚集的氧化位點面。
展開 如圖1，通過小樣的制作和測試，這種方法制作出的W和L（與晶體管尺寸相關的術語）同為15微米的晶體管具有70 cm2/Vs的電子遷移率。他們的這種專有方法使用到了空間ALD技術，具體來說，他們用這種技術在納米疊層中沉積了多層氧化銦、氧化鎵和氧化鋅結構，這些內容會在下面作進一步介紹。
圖1. TNO和SALDtech 合作開發高遷移率納米層壓材料的最新成果。其中a圖顯示IGZO納米層壓結構的TEM圖像，底部外加的紅色線用于示意該薄膜內的納米層壓結構；b圖顯示了該IGZO 納米層壓晶體管（w=15 μm，L=15 μm）的轉移曲線，左軸對應藍色曲線的電子遷移率，右軸為紅色曲線的電子遷移率
如果你注意到這項研究所實現的電子遷移率水平達到目前量產水平的5倍，那么你會肯定會對這項研究的成果印象深刻。因為更高電子遷移率的氧化物在某些應用中可以用來替代LTPS，支持更高幀速率、更高像素密度和更窄邊框的顯示器設計。
漢陽大學研究人員進一步表示，高電子遷移率還可以在一些較為小眾的顯示應用領域支持實現更高的顯示器性能，例如自發光微型顯示器、生物識別和光傳感等。
上面提到的納米層壓結構，實際上是使用空間ALD設備在多個非常薄的三元組中沉積三種不同氧化物材料后實現的。到目前為止，Holst中心的TNO和SALDtech已經使用該技術沉積出了15個這樣的三元組，而且每個三元組的厚度僅為1-2nm。
該研究需要使用ALD技術，這是因為它比傳統PVD技術具有更好的厚度均勻性，尤其是在一些大尺寸基板應用中，據介紹，ALD通常所能實現的厚度均勻性小于+/- 1%。
正常在沉積前體之前，需要先使用等離子體產生一層自由基，這也是等離子體基ALD（Plasma-based ALD）得名的由來。
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概述
這篇文章介紹了OpticStudio如何計算材料在任意輸入波長、環境溫度和壓強下的折射率。
介紹
通常情況下有兩種參考折射率的測量方法：絕對測量和相對測量。其中絕對測量以真空為參考介質；相對測量則是以空氣（攝氏溫度20°，一個標準大氣壓）為參考介質。除了折射率以外，光的波長也是在特定介質中測量的，光在不同介質中的波長存在微小差別，例如氦氖激光器產生的紅光在真空中的波長為0.632991μm
歡迎討論。
本案例使用“自動計算透反率模式”研究光子晶體的透反率，將建立簡單二維光子晶體結構以說明透反率的計算方法。
模型示意圖：
預覽網格劃分效果如下：
觀察到下面的實時場：
記錄得到數據如下：
雙擊“TR_A_polar”得到 Y 方向偏振的透反率如下：
圖中的數據也可以導出保存在
本案例使用“自動計算透反率模式”研究光子晶體的透反率，將建立簡單二維光子晶體結構以說明透反率的計算方法。
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采用離散元法（DEM）
對固體（粉末）層的壓縮和拉伸進行模擬
一、目標和方法
在電池電極的制造過程中，有一道稱為壓延的工序，電極材料在壓延機的作用下壓縮成型。這一工藝可將材料形成均勻的薄膜，并增加材料之間的接觸面積，從而提高電池性能。孔隙率和壓力是這一工藝的指標。在本案例研究中，我們介紹了假設壓延工藝形成固體顆粒（粉末）的模擬。VSOP-PS是J-OCTA的模擬器之一，它使用離散元法
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來源 | Nano-Micro Letters 原文 | https://doi.org/10.1007/s40820-023-01032-6 01 背景介紹 石墨烯納米膜是石墨烯的體相形態之一，其繼承了單層石墨烯的原子結構和電子、聲子行為特征，同時具有寬的作用截面、長的載流子弛豫時間，是良好的熱學、電學以及光電研究平臺。目前，石墨烯納米膜的可控制備尚未實現。本文以氧化石墨烯(GO，杭州高稀科技)/
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