項(xiàng)目名稱： 納米體系的量子輸運(yùn)理論與模擬

推薦單位： 香港特別行政區(qū)

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：

本項(xiàng)目的研究領(lǐng)域是納米電子器件的輸運(yùn)理論與模擬。半導(dǎo)體微電子技術(shù)的大量應(yīng)用在過(guò)去幾十年中已從根本上改變了人們的生活,微電子技術(shù)的核心---場(chǎng)效應(yīng)晶體管的尺度在2007年已縮小到了45納米，預(yù)計(jì)將在未來(lái)十五年左右到達(dá)原子極限。因此,微電子器件的進(jìn)一步發(fā)展迫切需要新的工作原理、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和材料。納米電子學(xué)的目標(biāo)就是在不遠(yuǎn)的將來(lái)發(fā)展出這一嶄新的具有戰(zhàn)略意義的技術(shù)，這就是為什么全世界所有工業(yè)國(guó)都在盡力發(fā)展納米電子學(xué)的原因。

納米電子學(xué)的發(fā)展離不開(kāi)理論上的理解和數(shù)值模擬。但是,納米電子學(xué)理論與模擬和傳統(tǒng)的微電子學(xué)中的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（EDA）有本質(zhì)的不同。傳統(tǒng)的EDA模擬方法是基于經(jīng)典或半經(jīng)典理論，不足以描述納米體系中復(fù)雜的量子效應(yīng)。該方法主要通過(guò)擬合大量實(shí)驗(yàn)曲線來(lái)獲得材料及電子輸運(yùn)的經(jīng)典參數(shù)，而當(dāng)電子器件越來(lái)越小時(shí)，這種擬合就變得越來(lái)越不準(zhǔn)確及成本越來(lái)越大。顯然納米電子學(xué)需要一個(gè)基于第一原理的電子輸運(yùn)理論和模擬方法。這個(gè)新理論和方法應(yīng)不帶有任何唯象的可調(diào)參數(shù)并且可以準(zhǔn)確地,定量地預(yù)言納米器件的電子輸運(yùn)特性。發(fā)展出這樣一個(gè)方法具有重大科學(xué)意義和影響。

過(guò)去十年里,我們的主要工作是建立和發(fā)展上述納米電子學(xué)第一原理的理論和模擬方法。首先,我們?cè)诨�于非平衡態(tài)格林函數(shù)理論(NEGF)的電子輸運(yùn)理論上做了大量工作,完善、發(fā)展和推廣了這一量子輸運(yùn)理論。其次,我們成功地將NEGF與DFT電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái),從而發(fā)展出了目前世界上最先進(jìn)的從頭計(jì)算量子輸運(yùn)理論、方法和計(jì)算軟件。我們的工作得到了國(guó)際上的廣泛認(rèn)可，處于世界領(lǐng)導(dǎo)地位，已發(fā)表有關(guān)論文56篇,這些論文被他引1057次，多次在Nature（影響因子26.7）、Reviews of Modern Physics（影響因子33.5）、Physics Reports（影響因子10.4）、……等雜志上的文章被引用，并在國(guó)外專著中被大篇幅綜述。其中首次闡述NEGF+DFT方法的那篇論文已被他引242次，被公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的納米輸運(yùn)第一原理計(jì)算方法。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)： 由于納米電子器件的性質(zhì)和工作原理與器件的材料及電子結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)密切相關(guān),器件也一般處在非平衡的工作狀態(tài),因此納米電子學(xué)的理論必須建立在將電子輸運(yùn)的多體理論,非平衡態(tài)的量子統(tǒng)計(jì)理論以及電子結(jié)構(gòu)的微觀計(jì)算方法密切結(jié)合的大框架下。我們的研究成功地建立起了這樣一個(gè)理論框架和與它相關(guān)的模擬方法及具體實(shí)施的計(jì)算軟件,對(duì)納米電子學(xué)研究起到了很大的推動(dòng)作用。

1. 核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn). 在建立理論框架的同時(shí),我們認(rèn)識(shí)到如果能把電子結(jié)構(gòu)的微觀計(jì)算方法-實(shí)空間密度泛函理論(DFT)與非平衡態(tài)格林函數(shù)(NEGF)電子輸運(yùn)理論相結(jié)合,將對(duì)納米電子學(xué)理論產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。這一思想是基于用DFT來(lái)計(jì)算電子器件的微觀量子結(jié)構(gòu)和能級(jí),用NEGF來(lái)處理電子輸運(yùn)的非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)規(guī)律,在實(shí)空間來(lái)處理器件的輸運(yùn)邊界條件。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力，我們終于在2000年實(shí)現(xiàn)了這個(gè)突破(以2000年我們的論文寄出時(shí)間為準(zhǔn))。我們的NEGF+DFT新理論和方法的兩篇論文自2001年發(fā)表（見(jiàn)論文6、7）即引起極大關(guān)注,已被總共他引326次(論文6他引84次，論文7他引242次),被公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的納米輸運(yùn)第一原理計(jì)算方法。目前世界上已有很多個(gè)研究小組采用我們的具體方法編寫(xiě)出類似的納米輸運(yùn)程序,包括美國(guó)的Berkeley，Duke，Purdue，F(xiàn)lorida State大學(xué)和Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,以及丹麥、 西班牙、日本、中國(guó)、法國(guó)、韓國(guó)、愛(ài)爾蘭、瑞典等國(guó)的研究小組,并且都重復(fù)驗(yàn)證了我們的大量結(jié)果。我們的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)已可定量相比，我們的一些預(yù)言也被實(shí)驗(yàn)所證實(shí), 例如最近美國(guó)耶魯大學(xué)Reed教授所發(fā)表的實(shí)驗(yàn)（J. Phys. Chem. B 108, 8742（2004））。基于我們的NEGF+DFT方法，一個(gè)歐洲的軟件公司（www.atomistix.com）開(kāi)發(fā)出商用納米器件模擬軟件。目前，世界上至少有好幾百個(gè)研究小組和電子企業(yè)（包括主要的大公司如SONY, HP等）用此軟件進(jìn)行納米研究.

2. 其它重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn). 在納米電子輸運(yùn)的理論框架方面，我們從非平衡態(tài)格林函數(shù)多體理論出發(fā)，第一個(gè)給出了有限頻率下的非線性交流量子輸運(yùn)理論和完整的非線性直流量子輸運(yùn)理論。我們的理論（見(jiàn)論文2）解決了很久以來(lái)存在于非平衡態(tài)格林函數(shù)量子輸運(yùn)理論中交變電流守恒和規(guī)范不變性的問(wèn)題。應(yīng)用這個(gè)理論，我們?cè)诩{米電子學(xué)物理方面進(jìn)行了一系列的重要工作。在參數(shù)泵電子輸運(yùn)的研究中,我們首先發(fā)現(xiàn)了絕熱參數(shù)泵輸運(yùn)的共振效應(yīng)（見(jiàn)論文5）,并將參數(shù)泵理論推廣到有限頻率及正常超導(dǎo)混合體。在鐵磁導(dǎo)線近藤效應(yīng)的工作中,我們的理論被應(yīng)用于強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系并發(fā)現(xiàn)自旋極化電流是探測(cè)近藤峰的有效方法（見(jiàn)論文8）。在研究納米碳管的遂穿磁阻結(jié)時(shí),我們發(fā)現(xiàn)單個(gè)納米管可以給出巨磁阻（見(jiàn)論文4）。我們提出了自旋流電池的概念:即純自旋流可以通過(guò)光子輔助躍遷而產(chǎn)生（見(jiàn)論文10）。通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，我們發(fā)現(xiàn)純自旋流可以在納米器件中產(chǎn)生并可控（見(jiàn)論文9）。這些工作對(duì)自旋電子學(xué)非常有意義并受到廣泛重視。

主要完成人： 王健

根據(jù)非平衡態(tài)格林函數(shù)方法，我們解決了在非平衡量子輸運(yùn)理論領(lǐng)域的一個(gè)長(zhǎng)期難以克服的難題：非線性交流量子輸運(yùn)中的電流守恒和規(guī)范不變性。我們發(fā)展了一種理論方法：將密度泛函理論結(jié)合于非平衡態(tài)格林函數(shù)。這種NEGF+DFT理論使我們可以計(jì)算處于非平衡態(tài)的納米器件的電荷/自旋量子輸運(yùn)而不借助任何外部可調(diào)參數(shù)。這項(xiàng)工作標(biāo)志著我們向納米器件的定量計(jì)算邁出了重要的一步。該NEGF+DFT方法被公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的納米輸運(yùn)第一原理計(jì)算方法。在本項(xiàng)目的所有創(chuàng)新及發(fā)現(xiàn)點(diǎn)中,本人所占工作量為百分之五十.