北京
中国科学院物理研究所杜世萱研究员团队在《科学通报》“香山科学会议专栏”发表评述文章，围绕二维场效应晶体管，从材料筛选、接触工程到高通量与人工智能加速设计，系统展示了数值模拟在原子制造中的关键作用与最新进展。
原子制造是材料科学与凝聚态物理关注的核心前沿之一，它通过原子级操控实现材料结构与性能的精准设计，为纳米电子器件的发展提供了全新的技术范式。二维材料凭借其超薄结构及优异的电学与力学性能，在低功耗电子、柔性器件和量子信息等领域具有重要应用潜力。尤其是以二维半导体材料为沟道的二维场效应晶体管（2D FETs），已被IRDS认定为后摩尔时代的关键器件。然而，由于材料体系复杂、界面效应显著以及器件结构高度敏感，实现2D FETs的可控原子制造仍面临诸多挑战。二维材料体系中存在结构缺陷、界面偶极、电荷转移、载流子输运等多种物理过程，实验手段难以全面解析。同时，二维半导体材料与金属电极或栅介电层形成的异质界面往往决定器件关键性能，但复杂的界面结构与原子级不均匀性使实验难以获取精确电子态信息，从而难以降低接触电阻。此外，二维材料的能带结构、极化效应及应力响应对原子尺度结构极其敏感，使传统器件设计经验难以直接应用于原子制造场景。因此，建立可预测、可解释、可推广的二维器件设计方法显得尤为重要。
为此，中国科学院物理研究所杜世萱研究员团队综述了近年来数值模拟在原子制造与二维场效应晶体管研究中的进展，强调其在揭示原子尺度机理与指导器件性能优化中的关键作用。团队提出以第一性原理计算为基础，结合多尺度模拟、高通量筛选和人工智能方法，实现二维器件的“数字化设计路径”。首先，阐述了数值模拟在原子制造中的关键作用，指出其作为理论与实验之间的桥梁，能够从原子尺度解析材料结构、界面行为及多物理场耦合机制，并通过高通量计算与人工智能加速材料筛选、性能优化及器件设计，推动原子制造的精准化与高效发展。其次，总结了不同数值模拟方法（如DFT、MD、MC）在结构预测、性能分析及大尺度模拟中的优势与局限，强调方法结合与多层次耦合可实现从原子到器件的系统优化，同时概述了材料数据库在二维材料及2D FETs设计中的重要性及完善方向。然后，介绍了数值模拟在2D FETs设计中的应用，包括二维半导体沟道材料的筛选、栅介电层的优化及关键界面的设计，通过量子力学计算精确预测材料本征特性、界面相互作用及器件整体性能，为低功耗、高性能器件开发提供理论指导与数据支撑。最后，总结了数值模拟驱动的原子制造未来发展趋势，并提出关键研究方向：
（1）发展全量子模拟方法，考虑原子核与电子自由度，准确描述能量势垒、反应路径及界面电子态行为；
（2）发展跨物理场、多变量耦合的计算方法，构建“结构–物性–外场”多维数据库，预测外场作用下的构筑路径与缺陷行为；
（3）建立覆盖“原子–结构–器件”尺度的多尺度建模框架，关注缺陷调控及外场调节下的亚稳态预测；
（4）构建自主学习预测平台，实现从原子级材料筛选到器件结构设计的闭环优化，推动原子制造由“被动模拟”向“主动设计”的跃迁，实现2D FETs在性能与能效协同优化中的智能化演进。
文章信息
郭浩, 潘金波*, 杜世萱*. 数值模拟驱动的原子制造在二维场效应晶体管中的应用. 科学通报, 2026, 71(16): 3564-3581. DOI: 10.1360/CSB-2025-5600
https://www.sciengine.com/CSB/doi/10.1360/CSB-2025-5600
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