【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】二維(2D)半導(dǎo)體因其原子級厚度和卓越的柵控性，在下一代納米場效應(yīng)晶體管(FET)中展現(xiàn)出巨大的潛力。然而，這些材料的電學(xué)性能往往受限于柵極介電材料的選擇。理想的范德華介電體要求具備高的介電常數(shù)、大的帶隙、與二維半導(dǎo)體匹配的能帶邊、以及較弱的界面散射。范德華(vdW)介電體表面無懸掛鍵，有助于降低界面散射，為與二維半導(dǎo)體的集成提供了一種可能的方案。但目前已知的范德華介電體種類仍然十分有限，且難以同時滿足所有理想條件。因此，探索具有更豐富晶體和電子結(jié)構(gòu)的范德華介電體變得至關(guān)重要。
 

　　最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件實驗室N11組博士生李玉輝、萬國麟在杜世萱研究員、潘金波副研究員的指導(dǎo)下，利用自主開發(fā)的拓?fù)淇s放算法與一系列篩選標(biāo)準(zhǔn)從三維體相材料數(shù)據(jù)庫中篩出潛在的范德華材料。篩選條件包括實驗上已合成、帶隙大于1.0eV、原子數(shù)目少于50、不含過渡金屬和惰性元素，以及零維化合物的總原子共價體積與晶胞體積之比大于0.14的范德華材料。通過高通量第一性原理計算，共得到189 種零維、81種一維和252種二維范德華材料的帶隙和介電常數(shù)(ε)。其中，9種范德華介電體因與MoS2間具有大于1eV的能帶偏離，被認(rèn)為適用于二維MoS?場效應(yīng)晶體管。進(jìn)一步的統(tǒng)計分析表明，具有一維和二維結(jié)構(gòu)且含有強(qiáng)電負(fù)性陰離子與重陽離子的材料往往同時具有較大的帶隙和介電值。
 

　　基于統(tǒng)計分析的結(jié)果，團(tuán)隊進(jìn)一步挑選了7個特征描述符，并構(gòu)建了一個機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于定量篩選潛在的介電體。該機(jī)器學(xué)習(xí)模型依次由兩個用于篩選帶隙和介電常數(shù)的分類器組成，二者的準(zhǔn)確率均超過 80%。利用主動學(xué)習(xí)框架，團(tuán)隊從Materials project數(shù)據(jù)庫中成功識別出了其它49種有潛力且實驗上暫未報道的范德華介電體。這項工作不僅提供了一系列范德華介電體的候選清單，還建立了一個用于高效篩選介電體的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對推動二維場效應(yīng)晶體管的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。
 

　　相關(guān)研究成果以“High-throughput screening and machine learning classification of van der Waals dielectrics for 2D nanoelectronics”為題，發(fā)表于Nature Communications 15, 9527 (2024)。該研究受到了國家自然科學(xué)基金委、科技部重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院的資助。
 

圖 低維范德華材料的集成、522個材料的統(tǒng)計分析及兩步機(jī)器學(xué)習(xí)模型