High-throughput screening and machine learning classification of van der Waals dielectrics for 2D nanoelectronics

纳米电子学 吞吐量 电介质 范德瓦尔斯力 计算机科学 高通量筛选 纳米技术 光电子学 物理 材料科学 生物信息学 生物 量子力学 电信 无线 分子
作者
Yuhui Li,Guolin Wan,Yongqian Zhu,Jingyu Yang,Yanfang Zhang,Jinbo Pan,Hong‐Jun Gao
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1038/s41467-024-53864-4
摘要

Van der Waals (vdW) dielectrics are promising for enhancing the performance of nanoscale field-effect transistors (FETs) based on two-dimensional (2D) semiconductors due to their clean interfaces. Ideal vdW dielectrics for 2D FETs require high dielectric constants and proper band alignment with 2D semiconductors. However, high-quality dielectrics remain scarce. Here, we employed a topology-scale algorithm to screen vdW materials consisting of zero-dimensional (0D), one-dimensional (1D), and 2D motifs from Materials Project database. High-throughput first-principles calculations yielded bandgaps and dielectric properties of 189 0D, 81 1D and 252 2D vdW materials. Among which, 9 highly promising dielectric candidates are suitable for MoS2-based FETs. Element prevalence analysis indicates that materials containing strongly electronegative anions and heavy cations are more likely to be promising dielectrics. Moreover, we developed a high-accuracy two-step machine learning (ML) classifier for screening dielectrics. Implementing active learning framework, we successfully identified 49 additional promising vdW dielectrics. This work provides a rich candidate list of vdW dielectrics along with a high-accuracy ML screening model, facilitating future development of 2D FETs. New van der Waals (vdW) dielectrics with high dielectric constants are required to enhance the performance of 2D electronic devices. Here, the authors report high-throughput first-principles calculations and a machine learning classifier to identify >50 promising vdW dielectrics suitable for 2D field-effect transistors.
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