二維（2D）半導(dǎo)體因其原子級(jí)厚度和卓越的柵控性，在下一代納米場(chǎng)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(wú)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(lèi)仍然十分有限，且難以同時(shí)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(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室N11組博士生李玉輝、萬(wàn)國(guó)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(kāi)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(kù)中篩出潛在的范德華材料。篩選條件包括實(shí)驗(yàn)上已合成、帶隙大于1.0eV、原子數(shù)目少于50、不含過(guò)渡金屬和惰性元素，以及零維化合物的總原子共價(jià)體積與晶胞體積之比大于0.14的范德華材料。通過(guò)高通量第一性原理計(jì)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MoS間具有大于1eV的能帶偏離，被認(rèn)為適用于二維MoS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)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(yáng)離子的材料往往同時(shí)具有較大的帶隙和介電值。基于統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步挑選了7個(gè)特征描述符，并構(gòu)建了一個(gè)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(gè)用于篩選帶隙和介電常數(shù)的分類(lèi)器組成，二者的準(zhǔn)確率均超過(guò) 80%。利用主動(dòng)學(xué)習(xí)框架，團(tuán)隊(duì)從Materials project數(shù)據(jù)庫(kù)中成功識(shí)別出了其它49種有潛力且實(shí)驗(yàn)上暫未報(bào)道的范德華介電體。這項(xiàng)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(gè)用于高效篩選介電體的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對(duì)推動(dòng)二維場(chǎng)效應(yīng)晶體管的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。
圖 低維范德華材料的集成、522個(gè)材料的統(tǒng)計(jì)分析及兩步機(jī)器學(xué)習(xí)模型
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(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院的資助。編輯：涼漸
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