보조 양자 우물을 갖는 공명 투과 다이오드가 3차 차분법에 의해 이산화된 Wigner 수송 방정식을 사용하여 연구되었다. 곧은 에너지 밴드 프로파일이 위그너 시뮬레이션에 사용되었다. 우리의 계산은 보조 우물의 기능을 다음과 같이 보여주었다. 전위 우물은 peak-to-valley 전류 비율 (PVCR)을 줄이면서 전류 밀도 (J)와 피크 전압 (Vp)을 증가시킨다. 후위 우물은 PVCR을 증가시키면서 J를 감소시킨다. 하위 우물은 J 및 PVCR에 영향을 미치지만 그 주된 효과는 Vp를 감소시키는 것이다. 다수의 보조 우물이 사용될 때, 각각의 보조 우물은 부수적 작용 없이 전하수송에 독립적으로 기여한다 .

본 논문은 300K 에서 동작하는 gate-all-around nanowire junctionless transistor의 도핑 농도에 따른 DC 특성을 NEGF-Poisson solver를 사용하여 조사했다. Source/channel/drain 영역의 길이가 모두 같고, 전체 길이가 60[nm]일 때, 도핑 농도를 1×〖10〗^17 [cm^(-3)]-1×〖10〗^20 [cm^(-3)]로 변화하면서 전달 특성 곡선을 얻었다. 도핑 농도가 증가할 때, on-current가 증가하고 threshold voltage는 감소하는 경향성을 보였으나, 도핑 농도가 1×〖10〗^20 [cm^(-3)]일 때 충분히 depletion 되지 않았다.

In this study we tried to see the effect of the difference in the tip model on the image resolution of the atomic force microscopy (AFM). Particularly we used two different models of the Cu-CO (CO being the tip termination and the Cu as the metal framework used instead of substrate addition) tip functionalization, i.e. CN1 and CN2. We employed density functional theory calculation for the simulation with the NPAO basis set using the GGA (generalized gradient approximation) scheme of PBE as XC functional along with Van der Waal’s (vdW) correction. The images obtained thus showed difference as anticipated and demonstrated the effect of tip-sample bond interaction in the image resolution of AFM. Also the effect of vdW on the resolution is seen in the result.

2차원 물질은 뛰어난 전기적, 광학적 특성으로 차세대 나노 물질로 각광받고 있다. Black Phosphorous(BP)는 다른 2차원 물질과 달리 anisotropic한 구조를 가지고 있어 transport direction에 따른 특성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 실제 공정상에서는 구현하기 힘든 아주 짧은 길이(5~25nm)의 2차원 물질을 채널로 하는 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)의 전기적 성질을 분석하였다. Discrete Fourier Transform과 Non-Equilibrium Green’s Function 방정식 기반의 EDISON 시뮬레이터를 사용하여, 채널길이, gate 종류, 결정방향에 따른 transistor의 전기적 특성을 분석하였다.

Recently discovered ferromagnetic-monolayer CrI3 broadened our spectrum of possible applications for 2D materials. Using ab initio calculation with a linear combination of atomic orbital (LCAO) basis, we calculated that monolayer cri3 has minimum magnetic structure when it has ferromagnetic order and when strain applies, it favors Neel antiferromagnetic structure.

Negative Capacitance FET (NC-FET)는 ferroelectric 물질의 negative capacitance 특성을 이용한 steep-slope device로서 차세대 반도체 소자로 주목을 받고 있다. 또한 Strain engineering은 물질의 특성 향상을 위해 많이 이용되고 있고, 물질간의 접합과정에서 epitaxial하게 strain이 인가되는 경우가 많기 때문에, 이에 대한 연구는 중요하다. 이에 따라 본 논문에서는 ferroelectric 물질에 strain을 인가하여 물질의 특성 변화를 분석하였다. 이번 연구에서는 strain 효과를 고려하기 위해서 제1원리 기반의 DFT 계산을 진행하였고, 계산 결과를 바탕으로 NC-FET에 대하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 결과, compressive strain이 증가할수록 Polarization-Energy curve에서 negative capacitance region 부분의 curvature가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 특성 변화를 NC-FET에 적용했을 때, compressive strain이 증가할수록 subthreshold swing(SS)이 감소하는 것을 확인하였고 DIBL값 또한 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 이번 연구를 통해 ferroelectric 물질에 strain을 적절히 인가하면 ferroelectric 물질의 특성이 향상됨을 확인하였고, 이를 NC-FET에 적용해본 결과 더욱 더 향상된 성능의 steep-slope device 구현이 가능함을 확인하였다.

As a good candidate of molecular electronics, bistable rotaxanes have great deal for the application of molecular-switching devices showing a very active electrical switching behavior. However, we find that even a single metal atom penetrated into this molecular system can destroy the switching nature. We analyze the changes of electronic and transmission properties with and without the penetrated atom by using the first-principles calculations with density functional theory and non-equilibrium Green’s function (NEGF). Finally, we suggest that a layer of graphene attached on the metal electrode can prevent the penetration of metal particles without effecting the switching nature. This result will give the definitive insight for the rotaxane-based molecular-switch.

Juntionless nanowire transistor (JNT) 의 채널 물질을 GaSb, Si 을 사용하여 소자의 성능을 비교, 분석 하였다. 채널 길이가 13 nm 이상인 경우 GaSB-JNT 가 Si-JNT 대비 on current 에서 20 % 우수한 특성을 보이고 subthreshold swing (SS) 값에서 큰 차이를 보이지 않았다. 하지만 채널 길이가 10 nm 보다 작은 경우 GaSb-JNT 의 source to drain tunneling (SDT) leakage 와 drain induced barrier lowering (DIBL) 값이 증가하면서 채널 길이가 감소함에 따라 on current 가 감소하는 정도가 Si-JNT 대비 크게 나타났다. 채널 길이가 7 nm 인 경우 GaSb-JNT, Si-JNT 의 on current 는 비슷한 값을 보이며 SS 의 경우 GaSb-JNT 가 Si-JNT 대비 큰 값을 갖는다. 10 nm 이상이 채널 길이를 갖는 short channel device 의 경우 GaSb-JNT 가 Si-JNT 대비 우수한 성능을 보임을 확인하였다.

우리는 이차원 (2D) 화합물 반도체인 InSe에 uniaxial strain이 가해졌을 때 생기는 여러 가지 물성의 변화를 제일원리 계산을 이용해 연구하였다. InSe의 구조적 symmetry를 고려하여 compressive strain과 tensile strain을 가하였을 때 strain을 가하지 않은 구조가 가장 안정함을 알 수 있었다. Strain의 크기가 증가할수록 band gap은 감소하는 경향을 보였고, strain의 크기와 무관하게 valence band maximum에서 Se의 p orbital character가 유지됨을 확인하였다.

이 논문에서는 GaN 채널을 가진 1차원 heterostructure에 대한 수치해석 시뮬레이션을 수행하였다. HEMT 소자의 기반이 되는 1차원 구조에 대해 Self-consistent Schrödinger-Poisson equation을 구현한 뒤 그 결과를 기반으로 극성 광학 포논 산란만을 고려하여 이동도를 계산하였다. 2차원 전자가스 채널의 농도가 〖10〗^11~〖10〗^13cm-2의 양을 가질 때 서브밴드의 개수에 따라 어떤 차이가 있는지 확인하였다. 고려하는 서브밴드의 개수가 적을수록 낮은 전자농도에서 이동도가 더 큰 결과를 주었다. 그 이유는 채널의 약한 구속효과로 인해 전자들이 높은 서브밴드에도 많이 존재하게 되는데 높은 서브밴드를 통하는 산란 효과가 무시되기 때문이다.

본 연구에서는 Topological Crystalline Insulator로 알려진 rocksalt 구조의 SnS를 nodal line의 관점으로 살펴보았다. Spin-orbit coupling을 무시하였을 경우 밴드갭이 닫히며 nodal line이 생기는 것을 확인하였으며, SOC의 크기를 변화시켜가며 거울상 대칭 고유값에 따른 Berry curvature를 살펴보고 nodal line과의 관련성을 보았다.

2차원 층상 구조를 이루는 반도체인 InSe의 단일층에 In과 같은 족에 속하는 Ga을 치환하여 밴드갭 엔지니어링 가능성을 탐색하였다. 이를 위해, 가능한 GaxIn1-xSe 구조들을 조사하여 제일원리계산을 통해 각각의 구조를 최적화하고 cohesive 에너지 비교를 통해 치환 비율에 따른 안정한 구조를 찾아 밴드 구조를 분석하였다. 그 결과, 2X2 supercell을 기준으로 가능한 20개의 defect 구조들의 cohesive energy 비교를 통해 각 치환 비율(x=0, 0,25, 0,375, 0.5, 0.625, 0.75, 0.875, 1)에서의 가장 안정된 구조를 찾을 수 있었고 enthalpy of mixing을 비교하여 In과 Ga이 InSe/GaSe로 분리되어 있을 때 보다 안정할 것을 예측하였다. 치환 비율에 따른 lattice constant는 Ga의 치환 비율이 높아질수록 거의 linear하게 감소하는 경향을 띄었으며 밴드갭은 아래로 볼록한 포물선 모양으로 InSe (2.26 eV), GaSe (2.48 eV) 사이에서 Ga0.25In0.75Se일 때 2.04 eV까지 작아지는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 2D TMD(Transition Metal Dichalcogenides) 물질인 WS2, WSe2, MoS2를 비교분석 후 WS2를 채널물질로 사용한 TMD FET소자를 ‘2D 반도체 FET 특성해석을 위한 S/W(DFT BASED NEGF 2D)’를 활용하여 조건변화에 따른 소자의 특성변화를 확인하였다. 물질에 따른 특성비교를 바탕으로 가장 우수한 채널물질이 WS2임을 확인하였고, 확인한 채널물질(WS2) 에서 결정방향, 채널길이, 게이트 타입, 도핑농도, oxide 물질 및 두께 변수에 따른 transfer curve를 도출하여 Subthreshold Swing(SS), mobility, On-Off ratio(Ion/Ioff) 등을 추출하였다. armchair 구조이고, oxide 두께가 얇을수록, double gate일 때 FET 소자의 전기적 특성이 우수함을 확인하였다. 그 결과 최적화된 WS2 FET의 transfer curve에서 Subthreshold Swing(SS)=56.65mV/dec, mobility=557.45 cm²/V·s, On-Off ratio(Ion/Ioff)= 1.543×〖10〗^9 임을 확인하였다.

나는 수소가 흡착된 AlN, GaN, InN의 (101 ̅0) 표면에 형성된 1차원 댕글링 본드 와이어의 금속-절연체 전이를 제일원리 계산을 이용하여 연구하였다. 각 댕글링 본드 와이어는 파이얼스 왜곡 (Peierls distortion) 혹은 반강자성 (Antiferromagnetism) 을 겪으며 band-gap opening에 의한 전자의 에너지 획득이 일어났다. Al의 댕글링 본드 와이어는 강한 전자-전자 상호작용에 의해 스핀 밀도파 (Spin density wave) 상태를 갖는 반면, In의 댕글링 본드 와이어는 강한 전하-격자 상호작용에 의해 전하 밀도파(Charge density wave) 상태를 갖는다. Ga의 경우 반강자성과 파이얼스 불안정성이 강하게 경쟁한다. 이러한 물리적 현상이 일어나는 이유는 주양자수가 높아질수록 댕글링 본드 오비탈이 비국소화 되었기 때문이다.

기존의 연구동향을 고려하여 Silicene Monolayer와 bilayer의 수직방향 전기장 인가에 따른 100meV 이상 급의 밴드갭 특성을 연구했다. Monolayer 구조는 direct bandgap을 형성하며 MD계산의 경우 590 meV (5.1V/Å 인가)까지, single point 계산의 경우 1.25 eV (11.8V/Å 인가)까지 밴드갭이 형성되었다. Bilayer 구조 중 AB Stacking구조가 가장 안정하다는 것이 확인되었으며, 이 구조 하에서는 두 개의 간섭적인 디락콘이 형성되어 indirect band gap을 형성했다. Bilayer에서는 100meV 이상의 밴드갭을 형성할 수 없음을 확인했다. 결론적으로 Monolayer Silicene이 direct한 100 meV 이상 급의 밴드갭을 형성하여 recombination 확률이 높고, 열적 요동을 견딜 수 있어 광소자, 전자소자로서의 가능성을 보였다.

Cadmium Selelenide (CdSe) nanoplatelets(NPL) is appealing due to their anisotropic growth controlled at the atomic scale and optical properties. However, to the best of our knowledge, not much work has studied the doping of the CdSe NPL. Herein, by means of density functional theory (DFT) calculation, we investigate the geometrical and electronic properties of the copper(Cu)-doped CdSe NPL at the atomic level. In particular, we study the strain effect on the electronic properties of the 3.5 monolayer Cu-doped zinc-blend(ZB) CdSe NPL capped with oleic acid organic ligand. The strain effect is indeed shown to change the Cu mid-gap states which are located near the fermi-level. To understand the origin of Cu states shift under strain, we analyze the local density of states for Cu-doped CdSe NPL and find that Jahn-Teller distortion plays an important role. On the basis of our results, we further show the Cu states are shifted with ligand-induced strain upon exchange of oleic acid with thiol acid.

이 논문에서는 제일원리계산을 수행하여 VSe2 단일층의 전자 구조를 연구하였다. VSe2 단일층의 이론 격자 상수는 3.33Å, 단일층의 높이는 3.16Å로 계산되었다. VSe2 단일층은 0.60μB의 자기모멘트를 지니며, 이러한 자성에는 V 3d orbital이 주로 기여한다. 에너지 밴드 구조는 페르미 준위 근처에서 spin-up 밴드와 spin-down 밴드의 spin splitting이 0.43eV 정도로 나타나는 것을 확인하였다. 최종적으로 계산된 밴드 구조를 이용하여 Fermi surface를 구하고, Fermi surface nesting이 존재함을 확인하였다. 이는 1T-VSe2 단일층이 전하밀도파를 형성할 가능성이 높다는 것을 의미한다.

It is recently reported that thin-layered SnSe2 can convert CO2 into formate with high efficiency. In this study, mechanisms for CO2 reduction reaction (CO2RR) and hydrogen evolution reaction (HER) on SnSe2 monolayer are studied by density functional theory (DFT) calculations. The basal plane and edge were not possible active sites, different from most dichalcogenides having edge as an active site. The defects on SnSe2, especially Se vacancies, were responsible for the good catalytic properties of the monolayer, not the metallic Sn formed by oxidation of SnSe2. Suggesting the active sites, this study can be used for catalyst design in the future.

이 논문에서는 이차원 층상 구조 물질인 TaS2의 2H와 1T polytype에 대한 제일원리 전자구조계산을 수행하였다. 그 결과, 2H 구조가 1T 구조보다 총 에너지가 0.07eV/unit cell 낮아 더 안정함을 확인하였다. 에너지 밴드 구조와 전자상태밀도 계산을 통해 두 구조 모두 금속성을 띰을 확인하였다. 계산된 밴드 구조로부터 얻어지는 Fermi surface는 2H 구조에서 hole pocket만 형성되고, 1T 구조에서 electron pocket만 형성된다. 1T 구조의 Fermi surface는 nesting으로 인해 전하밀도파 현상이 일어날 가능성이 높음을 암시한다.

Graphene은 2004년 Geim, Novoselov에 의해 최초로 분리된 이후, zero bandgap의 dirac cone 모양의 band structure를 가지는 전기적 특성에 의해 주목받고 있는 물질이다. 하지만 Geim과 Novoslev의 분리법은 대량 생산에 문제점이 있어 새로운 공정들이 많이 개발되어 왔다. 특히, graphite를 산화시키고 이를 다시 환원시켜 단층의 reduced graphene oxide를 만드는 공정이 현재 각광받고 있다. 하지만 이 공법은 oxidation과 reduction을 반복하면서 oxygen과 carbon이 결합하는 defect가 생기는 단점이 존재한다. 이번 연구에서는 reduced graphene oxide에서 특징적으로 발생되는 Epoxy functional group 및 Hydroxy functional group defect가 graphene의 band structure에 어떠한 영향을 끼치는지 분석하였다. 연구 결과, 이 functional group defect들은 graphene의 zero band gap을 open시키는게 확인되었고, Epoxy group은 p-dopant로 작용하지 않는 반면 Hydroxy group은 p-dopant로 작용함을 확인하였다. 이러한 차이점은 두 group과 결합한 C 원자의 relaxation structure를 확인해 볼 때 다른 hybrid orbital을 가지기 때문으로 해석할 수 있다.