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李金金/周震CM: 集成監(jiān)督和非監(jiān)督學(xué)習(xí)加速二維范德華異質(zhì)結(jié)的挖掘

隨著載流子注入的減少，源極和漏極處的金屬-半導(dǎo)體（M-S）界面的接觸電阻增加，從而降低了器件性能。減小M-S界面處的肖特基勢壘高度（SBH）是降低接觸電阻的有效方法，因而探索歐姆接觸（無肖特基勢壘）或低接觸電阻2D半導(dǎo)體/金屬異質(zhì)結(jié)對于開發(fā)高性能電子器件至關(guān)重要。

在此，上海交通大學(xué)李金金研究員、鄭州大學(xué)周震教授等人將DFT計算與機器學(xué)習(xí)（ML）方法相結(jié)合，以尋找具有低電阻的高性能2D M-S范德華（vdW）異質(zhì)結(jié)構(gòu)并將其用于電子設(shè)備的潛在應(yīng)用。作者使用低電阻和高隧穿概率（TP）作為篩選標準，其中接觸性能通過監(jiān)督回歸模型預(yù)測，而無監(jiān)督ML模型篩選出高TP的結(jié)構(gòu)。

基于混淆矩陣，作者證明了監(jiān)督學(xué)習(xí)無法對不平衡和稀缺的數(shù)據(jù)產(chǎn)生高精度預(yù)測，而無監(jiān)督學(xué)習(xí)可緩解數(shù)據(jù)稀缺和不平衡的問題，為復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了有希望和有用的結(jié)果。具體而言，作者從元素周期表中生成了一個綜合數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集由1092個具有良好接觸性能的潛在2D半導(dǎo)體/金屬異質(zhì)結(jié)組成，并證明了小界面偶極子和局部表面態(tài)的消除對于設(shè)計具有低SBH的先進2D M-S系統(tǒng)至關(guān)重要。

圖1. 集成監(jiān)督和非監(jiān)督學(xué)習(xí)的研究框架

最終，作者篩選得到6種新型2D vdW M-S異質(zhì)結(jié)（Al₂SO-Zn₃C₂、iAl₂SO-Zn₃C₂、GaSe-NbS₂、GaSe-NbSe₂和GeSe-VS₂），并將其作為具有低電阻和高TP的候選者。在這些候選者中，2個是Janus型結(jié)構(gòu)（Al₂SO-Zn₃C₂、iAl₂SO-Zn₃C₂），它們可根據(jù)本征極化具有靈活和可調(diào)節(jié)的電子特性。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的ML方法有很多優(yōu)點，如能夠提取數(shù)據(jù)中潛在的非線性關(guān)系，通過結(jié)合DFT或?qū)嶒灁?shù)據(jù)快速預(yù)測大量新型材料的性質(zhì)等。因此，在保證傳統(tǒng)第一性原理計算的預(yù)測精度的同時，所提出的多步ML輔助預(yù)測方法大大提高了預(yù)測速度，在不到5秒的時間內(nèi)完成復(fù)雜系統(tǒng)的篩選。總之，這項研究證明了無監(jiān)督學(xué)習(xí)在解決與小型或分布不均勻的復(fù)雜數(shù)據(jù)集相關(guān)的訓(xùn)練問題方面的優(yōu)越性。

圖2. 多步ML方法篩選的DFT驗證

Accelerated Mining of 2D Van der Waals Heterojunctions by Integrating Supervised and Unsupervised Learning, Chemistry of Materials 2022. DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c00641

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