研究方向
凝聚态计算物理
由于计算方法的深入发展和过去几十年中高速计算机的出现和普及，随着物理学基础理论的进一步突破，物理学家们逐步可以应用一些更严格和更全面的复杂模型，来定量研究实际的复杂体系的物理性质。基于物理学基本原理的数值计算和模拟已经成为将理论物理和实验物理紧密联系在一起的一座重要桥梁：它不仅能够弥补简单的解析理论模型难以完全描述复杂物理现象的不足，而且可以克服实验物理中遇到的许多困难，例如直接模拟实验上不能实现或技术条件要求很高、实验代价昂贵的物理系统等。
除了研究静态的性质，密度函数理论和非平衡格林函数方法结合可以计算凝聚态材料的量子输运性质，把凝聚态计算物理的研究能力向接近实验方向大大提高了一步。纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级的超细材料，是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域之一。由于量子限制效应，表面效应，边缘效应，减小的短沟道效应和增强的库仑相互作用，使得纳米材料常常显示出有别于相应的块材的新奇性质。晶体管是上个世纪最重要的发明之一，是信息社会的物质基础。摩尔发现每隔两年，集成电路上的晶体管数目就会翻一番。单个芯片上晶体管的集成度已经达到几十亿。未来的晶体管将工作在10纳米一下。
本团队现在致力于用第一性原理方法研究以石墨烯，硅烯，MoS2为代表低维纳米体系的量子调控，增强的准粒子效应和激子效应，谷电子学，旋轨耦合，拓扑性质，并利用这些纳米材料设计纳米电子器件（如场效应管，隧穿场效应管，谷器件），纳米光电子器件和自旋电子器件（自旋阀，自旋过滤器，自旋场效应管），希望把摩尔定律延续到10纳米以下。
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代表性成果
代表性工作
1 二维狄拉克材料能隙调控及器件设计
随着物理微裂解生产石墨烯的简单方法在2004年的出现，真实的二维单原子层材料第一次出现在人们面前。二维材料由于超薄，有更小的特征长度，带来更好的门控特性。同时表面光滑没有悬挂键，有利于载流子的输运。石墨烯具有异常高的载流子迁移率，但零能隙的特点阻止了它直接做成高表现的场效应管。打开一个可控的能隙，并保持较高的迁移率是石墨烯研究最重要和急迫的主题之一。我们以硅烯晶体管为例，展示我们这部分的成果。
基于硅烯的晶体管
我们首次提出具有起皱结构的单层的硅烯和锗烯可以被垂直平面的电场破坏上下原子的反演对称打开能隙并且打开的能隙随电场强度线性增加，同时高的载流子迁移率也能够保持。提供了第一个原理器件模型，利用非平衡格林函数方法计算证明了硅烯制成的场效应管在室温下具有电流开关效应，开关比是无电场时的8到50倍。该工作发表在《Nano Letters》, 12(1), 113-118 (2011)，被列入ESI高被引论文，目前已被SCI引用900多次，据我们所知是目前二维原子晶体器件完全第一性原理模拟论文中引用最高的论文。该论文在《Nano Letters》2012年发表的1108篇论文中，引用排第15位。该工作在2020年，作为一部分工作被提名2020年国家自然科学奖二等奖。
2015年实验上首次制备硅烯晶体管（《Nature Nanotechnology》， 10 , 227 (2015)），该文在引言中引用我们《Nano Letters》, 12(1), 113-118 (2011)的工作作为研究动机之一。后来我们又发现通过单面吸附金属原子（《Scientific Reports》, 2, 853 (2012), 目前已被引用190多次，ESI高被引论文；《Nanoscale》, 6, 7609 (2014), 目前已被引用120多次，ESI高被引论文）或者挖孔（《Scientific Reports》, 5, 9075 (2015)），也能打开硅烯能隙，并且可以有很高的电流开关比（105）。此外，我们还设计了基于硅烯的隧穿晶体管（《Nanoscale》, 6, 7609 (2014), 目前已被引用120多次，ESI高被引论文）。2016年，我们与北京理工大学姚裕贵教授、中科院物理所吴克辉研究员、大连理工赵纪军教授合作受邀撰写了目前硅烯的最完备的综述“Rise of silicene: a Competitive 2D Material”，发表在材料科学的顶级综述《Progress in Materials Science》, 83, 24 (2016)。研究工作发表后，引起广泛反响，很快成为ESI热点论文，目前已被SCI引用390多次。
2 系统精确模拟亚10 nm二维半导体晶体管
二维本征半导体可能比狄拉克材料更容易做成晶体管。亚10 nm晶体管的实验制备非常困难，成本巨大，用理论先行探索可以大大节约研制成本。先前的输运模拟基本基于半经验的方法，存在显著的误差。我们把精确的第一性原理量子输运方法引入到亚10 nm二维半导体晶体管性能的尺寸缩小行为（scaling）研究，并与国际半导体技术线路图（ITRS）进行对标。目前我们已经研了单层黑磷烯（BP烯）、砷烯(As烯)、锑烯 (Sb烯)、铋烯（Bi烯）、碲烯(Te烯)、硒化铟(InSe)、铋氧硒（Bi2O2Se）等晶体管的器件表现性能。
亚10 nm单/双层Bi2O2Se晶体管的性能极限
2017年由北京大学化学院彭海琳教授课题组首次制备成功的二维材料Bi2O2Se也具有超高的迁移率（室温下为450 cm2 V-1s-1，低温下能达到29000 cm2 V-1s-1），极低的有效质量（me* = 0.14m0）和高度稳定性这些优质特点。其块材、少层乃至单层易制备。基于这些优点，Bi2O2Se俨然有望成为继过渡金属二硫化物和IV族和V族烯之后，在新型二维纳电功能器件发展上的又一个二维半导体新星。我们基于第一性原理量子输运计算，研究并预测了单层和双层Bi2O2Se场效应晶体管在亚10纳米尺度上的性能表演极限。在获得和评估转移曲线、开关比、亚阈值摆幅、延迟时间等关键参数之后，我们发现双层Bi2O2Se n型场效应晶体管能够在门长5纳米的情况下满足国际半导体线路图未来十年高表现器件的需求；而单层Bi2O2Se n型和p型场效应晶体管则分别在门长2纳米和3纳米的情况下仍能满足未来高表现器件的要求。相关工作发表在《Nanoscale》, 11(2), 532-540 (2019)和《Advanced Electronic Materials》, 5(3), 1800720 (2019)。其中《Nanoscale》上的工作已经被引用超过75次，进入ESI高被引论文。
总结亚10 nm 二维半导体晶体管的研究，我们发现许多二维材料都能满足ITRS开电流的要求，支持了用2D 沟道材料延续摩尔定律的方案（可到2 nm）。我们发现高性能（HP）和低功耗（LP）二维器件的开电流与半导体带边有效质量变化的规律。有效质量在0.4-0.5 m0附近时候，开电流最小，较小或较大的有效质量均有利于开电流。
3 精确计算晶体管中二维半导体与金属界面的范式
与三维半导体材料不同，由于缺乏有效的掺杂手段，二维材料做器件，通常需要与金属电极接触注入电子，在金属半导体界面往往会形成肖特基势垒，极大影响着器件的性能，界面对二维材料可谓至关重要。诺贝尔物理学奖得主Kroemer说，“界面即器件”“The interface is the device”(《Reviews Of Modern Physics》, 73, 783 (2001))。《Nature Materials》发表编者按说“The interface is still the device.” （Editorial, 《Nature Materials》, 11, 91 (2012)）。《Nature Materials》的综述说：In the 2D limit, the properties of the interface — the chemical interaction between the metal and the SC — govern everything.（《Nature Materials》, 14, 1195 (2015)）。但常用的计算肖特基势垒方法主要单独计算电极和沟道的能带，没有考虑电极与沟道材料的强烈耦合带了的费米能钉扎效应，往往会低估了肖特基势垒。我们把能带方法与第一性原理量子输运模拟结合起来，充分考虑电极与沟道的耦合，通过计算空间能带图导出肖特基势垒高度（图3）。我们发现金属诱导的能隙态的普遍存在，导致费米能钉扎存在，常常给出增大的肖特基势垒高度。用这套模式，我们系统地对22种以上2D材料(涵盖V族烯，VI族烯，过渡金属二硫化物TMDs，III-VI族，III-V族，IV-VI族化合物)与金属(Au, Pd, Pt, Ag, Sc, Ti, Ni, Cr, Sb, Ir, In, Graphene, Co, Cu, Al, Tl, Mxene)在晶体管结构下界面性质进行了研究。该主题总计发表SCI论文24篇以上，有4篇论文成为ESI高被引论文（《Scientific Reports》, 6, 21786 (2016);《Chemistry of Materials》, 28, 2100 (2016);《Nanoscale》, 8, 1179 (2016)和《Nano Research》 11(2), 707-721 (2018)）。据此，我们以“Schottky barrier heights in two-dimensional field effect transistors: from theory to experiment”为题，撰写了二维半导体与金属界面肖特基势垒的综述（发表在物理的顶级综述期刊《Reports on Progress of Physics》（IF = 17.032））。
单层/双层/三层黑磷与金属接触界面性质
通过对一系列vdw型接触和块状金属Ni(111)接触的对比研究，我们发现二维电极有改善BP晶体管性能的潜力(图4)。特别是，采用2D石墨烯电极的单层BP晶体管整体上表现出更大的开电流和更好的门控(减小的亚阈值摆幅(SS))。我们也解释了这种改善的内在原因。首先，石墨烯与单层BP之间的界面相互作用较弱，在电极-沟道界面只有少量金属诱导的界面态。因此，肖特基势垒的高度可以通过改变栅电压来调节。相比之下，块材镍电极的肖特基势垒很难通过栅电压进行调节。其次，低维电极对门电场的屏蔽作用减弱，相应的门对沟道的控制能力就增强了。
通过单层，双层和三层黑磷与金属接触界面性质研究，我们发现肖特基势垒的类型和高度取决于沟道半导体的层数。例如,铝和铬与单层和双层BP会在水平方向形成n型肖特基但是和三层BP则会形成p型水平肖特基接触。此外, 由于BP带隙随着层数增加而减小，因而肖特基势垒的高度相应也会随着BP的层数增加而降低。有趣的是，根据双层和三层 BP场效应晶体管的结果，可以发现具有强相互作用电极的N层2D半导体材料场效应晶体管的横向肖特基势垒的高度是可以通过其(N + 1)层半导体-金属接触的能带理论计算来推断。
相关研究文章发表于《Chemistry of Materials》， 28, 2100 (2016)；《Nanoscale》, 9, 14047-14057 (2017)；《ACS Applied Materials & Interfaces》, 9, 12694-12705 (2017)；《Nano Research》, 11(2), 707-721 (2018)。其中，单层和三层黑磷-金属界面的两个工作（《Chemistry of Materials》， 28, 2100 (2016)和《Nano Research》 11(2), 707-721 (2018)）进入ESI高被引论文，分别已经被引用超过120次和40次。
除此以外，关于MoS2、WSe2晶体管金属接触的2篇文章（《Scientific Reports》, 6, 21786 (2016)，《Nanoscale》, 8, 1179 (2016)，目前已经分别被引用160和90多次）也进入ESI高被引论文。这套研究二维晶体管肖特基势垒的范式，正被越来越多的组采用。
代表性论文
1. High-performance sub-10 nm monolayer Bi2O2Se transistors, Ruge Quhe, Junchen Liu, Jinxiong Wu, Jie Yang, Yangyang Wang, Qiuhui Li, Tianran Li, Ying Guo, Jinbo Yang, Hailin Peng, Ming Lei, and Jing Lu*, Nanoscale 11(2), 532-540 (2019).
2. Many-body Effect and Device Performance Limit of Monolayer InSe, Yangyang Wang, Ruixiang Fei, Ruge Quhe, Jingzhen Li, Han Zhang, Xiuying Zhang, Bowen Shi, Lin Xiao, Zhigang Song, Jinbo Yang, Jun-jie Shi, Feng Pan*, and Jing Lu*, ACS Applied Materials & Interfaces, 10(27), 23344 (2018).
3. Simulations of Quantum Transport in Sub-5-nm Monolayer Phosphorene Transistors, Ruge Quhe, Qiuhui Li, Qiaoxuan Zhang, Yangyang Wang, Han Zhang, Jingzhen Li, Xiuying Zhang, Dongxue Chen, Kaihui Liu, Yu Ye, Lun Dai, Feng Pan, Ming Lei, and Jing Lu*, Phys. Rev. Appl. 10(2), 024022 (2018)
4. Dependence of excited-state properties of tellurium on dimensionality: From bulk to two dimensions to one dimensions, Yuanyuan Pan, Shiyuan Gao, Li Yang*, and Jing Lu*, Phys. Rev. B 98, 085135 (2018).
5. Valley Pseudospin with a Widely Tunable Bandgap in Doped Honeycomb BN Monolayer, Zhigang Song†, Ziwei Li†, Hong Wang, Xuedong Bai, Wenlong Wang, Honglin Du, Sunquan Liu, Changsheng Wang, Jingzhi Han, YingchangYang, Zheng Liu, Jing Lu*, Zheyu Fang*, Jinbo Yang*, Nano Lett. 17, 2079 (2017)
6. Many-body Effect, Carrier Mobility, and Device Performance of Hexagonal Arsenene and Antimonene, Yangyang Wang, Pu Huang, Meng Ye, Ruge Quhe, Yuanyuan Pan, Han Zhang, Hongxia Zhong, Junjie Shi, * Jing Lu, * Chemistry of Materials, DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b04909. (2017)
7. Monolayer Phosphorene Metal Contacts, Yuanyuan Pan, Yangyang Wang, Meng Ye, Ruge Quhe, Hongxia Zhong, Zhigang Song, Xiyou Peng, Dapeng Yu, Jinbo Yang, Junjie Shi, and Jing Lu*, Chemistry of Materials 28, 2100 (2016).
8. Interfacial Properties of Monolayer and Bilayer MoS2 Contacts with Metals: Beyond the Energy Band Calculations, Hongxia Zhong,# Ruge Quhe,# Yangyang Wang, Zeyuan Ni, Meng Ye, Zhigang Song, Yuanyuan Pan, Jinbo Yang, Li Yang, Lei Ming, Junjie Shi*, and Jing Lu*, Scientific Reports 6, 21786 (2016).
9. All-metallic Vertical Transistors Based on Stacked Dirac Materials, Yangyang Wang, Zeyuan Ni, Qihang Liu, Ruge Quhe, Jiaxin Zheng, Meng Ye, Dapeng Yu, Junjie Shi, Jinbo Yang, Ju Li, and Jing Lu*, Advanced Functional Materials 25, 68 (2015).
10. Quantum spin Hall insulators and quantum valley Hall insulators of BiX/SbX (X = H, F, Cl, and Br) monolayers with a record bulk band gap, Zhigang Song, Cheng-Cheng Liu, Jinbo Yang*, Jingzhi Han, Meng Ye, Botao Fu, Yingchang Yang, Qian Niu, Jing Lu* & Yugui Yao*, NPG Asia Materials 6,e147 (2014)
11. Interfacial Properties of Bilayer and Trilayer Graphene on Metal Substrates, Jiaxin Zheng,Yangyang Wang, Lu Wang, Ruge Quhe, Zeyuan Ni, Wai-Ning Mei, Zhengxiang Gao, Dapeng Yu, Junjie Shi, and Jing Lu*, Scientific Reports 3, 2081 (2013); doi:10.1038/srep02081.
12. Tunable and Sizable Band Gap of Single Layer Graphene Sandwiched between Hexagonal Boron Nitride, Ruge Quhe, Jiaxin Zheng, Guangfu Luo, Qihang Liu, Rui Qin, Jing Zhou, Dapeng Yu, Shigeru Nagase, Wai-Ning Mei, Zhengxiang Gao, and Jing Lu*, NPG Asia Materials 4, e6 (2012); doi:10.1038/am.2012.10.
13. Tunable and sizable band gap in silicene by surface adsorption, Ruge Quhe, Ruixiang Fei, Qihang Liu, Jiaxin Zheng, Hong Li, Chengyong Xu, Zeyuan Ni, Yangyang Wang, Dapeng Yu, Zhengxiang Gao, and Jing Lu*, Scientific Reports 2：853 (2012); doi:10.1038/srep00853.
14. Tunable band gap in silicene and germanene, Zeyuan Ni, Qihang Liu, Kechao Tang, Jiaxin Zheng, Jing Zhou, Rui Qin, Zhengxiang Gao, Dapeng Yu, Jing Lu*, Nano Lett. 12, 113 (2012).
15. Co–crystal of Paramagnetic Endohedral Metallofullerene La@C82 and Nickel Porphyrin with High Electronic Mobility, Satoru Sato*, Hidefumi Nikawa, Shu Seki, Lu Wang, Guangfu Luo, Jing Lu*, Masayuki Haranaka, Takahiro Tsuchiya, Shigeru Nagase* and Takeshi Akasaka*, Angewandte Chemie 7, 1589 (2012).
16. Tunable Charge-transport Property of Ih–C80 Endohedral Metallofullerenes: Investigation of La2@C80, Sc3N@C80, and Sc3C2@C80, Satoru Sato, Shu Seki* Guangfu Luo, Mitsuaki Suzuki, Jing Lu* Shigeru Nagase* and Takeshi Akasaka*, J. Am. Chem. Soc. 134, 11681（2012）.
17. Functionalized Graphene for High Performance Two-dimensional Spintronics Devices, Linze Li, Rui Qin, Hong Li, Lili Yu, Qihang Liu, Guangfu Luo, Zhengxiang Gao, and Jing Lu*, ACS NANO 4, 2061 (2011).
18. Semi-metallic Single-component Crystal of Soluble La@C82 Derivative with High Electron Mobility, Satoru Sato, Shu Seki, Yoshihito Honsho, Guangfu Luo, Lu Wang, Jing Lu, Hidefumi Nikawa, Masayuki Haranaka, Takahiro Tsuchiya, Shigeru Nagase and Takeshi Akasaka*,J. Am. Chem. Soc. 133, 2766 (2011).
19. Mixed Low-dimensional Nanomaterial: 2D MoS2 Inorganic Nanoribbons Encapsulated in Quasi-1D Carbon Nanotubes, Zhiyong Wang, Hong Li, Zheng Liu, Zujin Shi,* Jing Lu*, Kazu Suenaga,* Soon-Kil Joung, Toshiya Okazaki, Zhennan Gu, Jing Zhou, Zhengxiang Gao, Guangping Li, Stefano Sanvito, Enge Wang, and Sumio Iijima, J. Am. Chem. Soc. 132, 13840 (2010).
20. A facile, low-cost and scalable method of selective etching semiconducting single-walled carbon nanotubes by a gas reaction, Y. Liu*, H. Zhang, L. Cao, D. Wei, Dr. Y. Wang, H. Kajiura*, Dr. Y. Li, K. Noda,G. Luo, L. Wang, J. Zhou, J. Lu*, Z. Gao, Advanced Materials 21， 813 （2009）.
21. Novel One-Dimensional Organometallic Half Metals: Vanadium-Cyclopentadienyl, Vanadium-Cyclopentadienyl-Benzene, and Vanadium-Anthracene Wires: Lu Wang, Zixing Cai, Junyu Wang, Jing Lu*, Guangfu Luo, Lin Lai, Jing Zhou, Rui Qin, Zhengxiang Gao*, Dapeng Yu, Guangping Li, Wai Ning Mei, and Stefano Sanvito, Nano Lett. 8, 3640 (2008).
22. Selective interaction of large or charge-transfer aromatic molecules with metallic single-wall carbon nanotubes: critical role of the molecular size and orientation, Jing Lu*, Shigeru Nagase*, Xinwei Zhang, Dan Wang, Ming Ni, Yutaka Maeda, Takatsugu Wakahara, Tsukasa Nakahodo, Takahiro Tsuchiya, Takeshi Akasaka*, Zhengxiang Gao, Dapeng Yu, Hengqiang Ye, W. N. Mei, Yunsong Zhou, J. Am. Chem. Soc. , 128, 5114 (2006).
23. Large-Scale Separation of Metallic and Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes, Yutaka Maeda, Shin-ichi Kimura, Makoto Kanda, Yuya Hirashima, Tadashi Hasegawa, Takatsugu Wakahara, Yongfu Lian, Tsukasa Nakahodo, Takahiro Tsuchiya, Takeshi Akasaka, Jing Lu, Xinwei Zhang, Zhengxiang Gao, Dapeng Yu,Shigeru Nagase, Said Kazaoui, Nobutsugu Minami, Tetsuo Shimizu, Hiroshi Tokumoto, Riichiro Saito, J. Am. Chem. Soc. 127, 10287 (2005).
24. Amphoteric and controllable doping of carbon nanotubes by encapsulation of organic and organometallic molecules, Jing Lu*, Shigeru Nagase*, Dapeng Yu, Hengqiang Ye, Rushan Han, Zhengxiang Gao, Shuang Zhang, Lianmao Peng, Physical Review Letters 93, 116804 (2004).
25. Structural and electronic properties of metal-encapsulated silicon clusters in a large size range, Jing Lu* and Nagase*, Physical Review Letters 90, 115506 (2003).
