纳米器件在暂态过程中的电流和光电流

In this project, we will investigate the dynamic transport properties of nano-electronic devices using theoretical and numerical methods. The investigation includes two parts. Firstly, we will investigate the transient electric transport properties of large-scale nano-electronic devices using first principles calculation. Secondly, we will develop a dynamic transport theory to describe the evolution of photocurrent in transient process, and combine this theory with DFT to investigate the transient photocurrent evolution of optoelectronic devices from first principles calculation...Transient transport in nano-electronic devices due to the step-like pulse is extremely time consuming with the best scaling O(TN^3) where N is the dimension of the device and T is the number of time steps. It is impossible to investigate the transient transport in large-scale electronic devices from first principles calculation. Recently, we proposed a new fast algorithm to study the transient behavior. The computational complexity of this algorithm is further reduced to O(N^3), which allows us to tackle large scale transient problems including magnetic tunneling junctions and ferroelectric tunneling junctions which cannot be touched before. In this project, we will combine this fast algorithm with DFT theory for the first time, and investigate the transient transport properties of large-scale systems using first principles calculation...Photogalvanic effect in low dimensional materials has been extensively investigated in recent years by theoretical and experimental methods. However, there is still not a quantitative theory as far as we know to describe the time dependent evolution of photocurrent in transient process. In this project, we will develop a transient transport theory for the first time to describe photocurrent induced by photogalvanic effect versus time evolution using non-equilibrium Green’s function method. Then we will combine this theory to first principles calculation, and investigate the evolution of photocurrent in transient process of different optoelectronic devices based on the low dimensional materials.

本项目拟从理论推导和数值模拟的角度，研究纳米器件在暂态过程中的动力学响应。研究内容包括以下两部分。.一、.纳米器件暂态输运行为的第一性原理计算.近期，项目主要参与者王健课题组在之前研究的基础上，发展了一种快速计算暂态电流的计算方法。在该方法中，计算量和计算时间点的个数几乎无关，彻底解决了纳米器件暂态输运性质第一性原理数值模拟中计算量太大的问题。在本项目中，我们拟首次采用该快速算法，研究低维纳米器件在暂态过程中电流随时间演化的行为。.二、.发展可描述暂态过程中光电流随时间演化的理论.低维纳米材料中的光生电流效应吸引了近些年理论界和实验界的广泛关注。然而，目前还没有可以描述暂态过程中光电流随时间演化的理论。在该项目中，我们拟采用非平衡格林函数方法，首次发展可以描述暂态过程中光电流随时间演化的理论，并从第一性原理计算出发研究基于不同材料和构型的纳米光电器件在暂态过程中的光电流演化。

本项目旨在通过理论和数值模拟的方法，研究不同低维材料的电子结构性质，结合非平衡格林函数方法，探索纳米尺寸下量子器件的直流、交流、热电和暂态输运性质，为新一代纳米电子器件的制备提供理论参考和方向指导。1）我们撰写了基于暂态过程电流随时间演化的快速算法的第一性原理计算程序，发展了暂态过程中的光电效应的动力学响应理论和无序体系中交流输运快速算法，从第一性原理出发研究了基于石墨烯、黑磷、GeP3及其构成的各种异质结电子器件在动力学过程中电流随时间的演化，理解电流演化过程不同时间尺度下载流子的动力学行为，加强对暂态过程中电子输运的物理本质的理解。2）采用第一性原理计算方法，研究各种新型二维功能材料的电子结构性质和热电输运行为，包括材料的稳定性、电子特征和能带调控、光电行为、催化功能等，设计不同异质结构和电子器件，计算电流/光电流的静态属性和动态响应，分析外部参数对器件性能的影响并探讨其物理机制。3）结合非平衡格林函数方法与紧束缚模型，研究二维拓扑系统中的电子输运性质，包括自旋量子霍尔效应体系中的热输运、拓扑超导体中的Majorana费米子调控，转角石墨烯条带中一维拓扑超导态的实现和传导等，提出了增强石墨烯/TMD材料的自旋轨道耦合强度的有效方法，发展了可以描述非厄米拓扑超导体系拓扑不变量的方法。本项目的研究结果对新型纳米尺寸电子器件制备和电路设计具有一定的理论指导意义。同时，通过项目培养了若干名博士后、博士和硕士，帮助他们了解和熟悉科学研究的基本思路和方法，掌握描述纳米体系量子输运的基本理论和技术手段，储备相关领域的知识并积累科学研究经验，为我国将来纳米电子工业的新兴和发展培养了人才。