个人简介
李元，理学博士，IEEE 高级会员。主要从事信息材料和器件的理论、仿真与设计研究，致力于探索面向后摩尔时代信息技术应用的新材料、新器件和新原理，涉及微纳电子学、有机电子学、物理电子学等多个前沿研究领域。已在国际知名专业期刊合作发表SCI论文90余篇，主持国家自然科学基金面上项目3项，担任国家自然科学基金函评专家以及Nature Springer, AAAS, ACS, APS, IEEE, Elsevier等旗下10余家国际知名专业期刊评审人。
招生信息
欢迎电子科学与技术、微电子、光电子、物理、化学、材料等专业同学报考本课题组研究生。
研究方向
信息材料和器件的理论、仿真与设计
研究亮点
1. 冷源晶体管器件优化模型。亚阈值摆幅（Subthreshold Swing，简称SS）是影响晶体管静态功耗的一个关键参数。具有特殊电子态密度的电极材料可以通过抑制玻尔兹曼热尾进行“冷”载流子注入，实现室温SS < 60 mV/dec的低功耗“冷源晶体管”。然而，目前绝大部分冷源晶体管的SS参数受工作电压影响严重，对工作电压易损耗的可穿戴和移动电子设备非常不利。鉴于此，我们提出了一种实现SS不随工作电压改变的冷源晶体管器件模型，发现漏极材料电子态密度对器件SS参数的工作电压依赖关系具有重要影响，并提出了利用漏极态密度工程实现具有稳定SS参数的陡幅冷源晶体管设计策略。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0177388
2. 有机隧穿场效应晶体管设计。隧穿场效应晶体管（Tunnel Field-Effect Transistor，简称TFET）是一类非常重要的陡幅低功耗晶体管。然而，目前所有的陡幅TFET均基于无机材料，基于有机材料的TFET器件鲜有报道。这主要是因为传统有机半导体通常具有非晶形貌、大量缺陷和无法大幅提升的载流子迁移率，很难实现能带间量子隧穿的精准调控。鉴于此，我们提出了一种利用新型二维有机半导体实现陡幅有机TFET的设计方案。该方案基于二维共价有机框架（Covalent-Organic Framework，简称COF）材料，其通过强共价键将有机基团连接在一起形成有序的二维周期性晶体结构，可大大提高载流子迁移率的理论上限。这是目前国际上首次提出的基于新型有机半导体的陡幅TFET理论设计方案，对有机TFET研究具有积极的指导意义。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c03366
3. 薄膜晶体管普适器件模型。薄膜晶体管（Thin-Film Transistors，简称TFTs），特别是基于非晶氧化物和有机半导体的非晶半导体TFTs，因其易制备、低成本和柔性等优势在大面积显示与传感、柔性电子学、新型存储和边缘计算等领域引起了广泛的关注。为了有效指导电路设计，发展TFTs器件解析模型，特别是能够描述所有非晶半导体基本物理过程的普适的TFTs器件解析模型，对于半导体器件理论和相关EDA工具开发均具有极高的研究价值。然而，非晶半导体复杂的电子结构和载流子传输机制使得发展上述模型一直面临诸多严峻的挑战，亟待在理论上取得突破。针对这一问题，我们与合作者（Arokia Nathan教授团队）共同提出了一种基于莫特非晶半导体输运理论的普适的TFTs器件解析模型。该模型充分考虑了非晶半导体电子态密度中普遍存在的自由电子态、浅能级带尾电子态和深能级缺陷电子态，定义了一个新物理量，命名为莫特函数（Mott Function），用于定量描述TFTs沟道中自由载流子数与总载流子数的比值。研究表明，莫特函数不仅在求解TFTs器件模型解析表达式方面可以发挥强大的作用，而且在揭示TFTs器件工作机理方面具有明确的物理意义。例如，与传统硅基场效应晶体管工作在沟道载流子的反型模式不同，TFTs工作在沟道载流子的累积模式，不能通过沟道内载流子的反型来定义器件的开关，因此TFTs阈值电压的物理定义一直存在争议。莫特函数的引入则可以得到物理定义非常明确的TFTs器件开关过程，即TFTs阈值电压对应于器件沟道中自由载流子与局域载流子数量相当时的栅极电压，此时莫特函数对器件栅极电压的一阶导数恰好处于最大值。此外，通过莫特函数还可以得到TFTs转移与输出特性的解析表达式，以及阈值电压、亚阈值摆幅、场效应迁移率等器件关键参数的解析表达式，且物理意义明确。鉴于莫特理论和莫特函数的普适性，这一模型可应用于包括非晶氧化物和有机半导体在内的所有非晶半导体TFTs，对于深入理解TFTs器件工作机理和开发相关EDA工具均具有重要意义。本研究入选国际应用物理顶级期刊Applied Physics Letters编辑精选（Editor’s Pick）论文。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0212618
代表论文（标*为通讯作者）
[22] G. Z. Yi, Y. Li*, K. L. Cai, J. Yu*, and A. Nathan*, On a Mott Formalism for Modeling Oxide Thin-Film Transistors. Appl. Phys. Lett. 125, 033501 (2024).（编辑精选 Editor's Pick）
[21] K. Y. Liu, F. Lu, and Y. Li*, Bias-Independent Subthreshold Swing in Ballistic Cold-Source Field-Effect Transistors by Drain Density-of-States Engineering. Appl. Phys. Lett. 124, 053504 (2024).
[20] X. M. Li and Y. Li*, Toward Nanoscale Organic Tunnel Field-Effect Transistors with Small Subthreshold Swing and High On-State Current: A Computational Design Based on Two-Dimensional Covalent-Organic Frameworks. ACS Appl. Nano Mater. 7, 1526 (2024).
[19] P. P. Sang, Q. W. Wang, J. X. Wu, G. Z. Yi, Y. Li*, and J. Z. Chen*, Geometric, Electronic, and Transport Predictions on Two-Dimensional Semiconducting Silicon with Kagome Lattice: Implications for Nanoscale Field-Effect Transistor Applications. ACS Appl. Nano Mater. 6, 6849 (2023).
[18] P. P. Sang, Q. W. Wang, G. Z. Yi, J. X. Wu, Y. Li*, and J. Z. Chen*, Tunable Electrical Contacts in Two-Dimensional Silicon Field-Effect Transistors: The Significance of Surface Engineering. Appl. Surf. Sci. 614, 156170 (2023).
[17] A. Fu, G. Z. Yi, and Y. Li*, Phonon-Limited Electron Transport in a Highly-Conductive Two-Dimensional Covalent Organic Framework: A Computational Study. J. Phys. Chem. C 126, 20127 (2022).
[16] X. X. Gong, L. J. Xu, P. P. Sang, Y. Li*, and J. Z. Chen, Organic Steep-Slope Nano-FETs: A Rational Design Based on Two-Dimensional Covalent-Organic Frameworks. Org. Electron. 100, 106379 (2022).
[15] P. P. Sang, Q. W. Wang, W. Wei, Y. Li*, and J. Z. Chen*, Hydrogenated Borophene as a Promising Two-Dimensional Semiconductor for Nanoscale Field-Effect Transistors: A Computational Study. ACS Appl. Nano Mater. 4, 11931 (2021).
[14] P. P. Sang, Q. W. Wang, W. Wei, F. Wang, Y. Li*, and J. Z. Chen*, Semiconducting Silicene: A Two-Dimensional Silicon Allotrope with Hybrid Honeycomb-Kagome Lattice. ACS Materials Lett. 3, 1181 (2021).
[13] F. Wang, Y. Li*, X. L. Ma, and J. Z. Chen*, Charge Loss Induced by Defects of Transition Layer in Charge-Trap 3D NAND Flash Memory. IEEE Access 9, 47391 (2021).
[12] P. P. Sang, X. L. Ma, Q. W. Wang, W. Wei, F. Wang, J. X. Wu, X. P. Zhan, Y. Li*, and J. Z. Chen*, Toward High-Performance Monolayer Graphdiyne Transistor: Strain Engineering Matters. Appl. Surf. Sci. 536, 147836 (2021).
[11] F. Lu, Q. Qin, Y. Li*, and J. Z. Chen*, Computational Design of Molecular Transistor with Van der Waals Gating. Appl. Phys. Express 13, 085002 (2020).
[10] Y. Li*, Y. P. Yi, B. Cui, and J. Z. Chen*, Two-Dimensional Electronic and Charge-Transport Properties of a Monolayer Organic Crystal: Impact of the Collinear Transfer-Integral Correlations. Org. Electron. 78, 105609 (2020).
[9] Y. Li, H. Y. Li, C. Zhong, G. Sini, and J. L. Brédas*, Characterization of Intrinsic Hole Transport in Single-Crystal Spiro-OMeTAD. npj Flex. Electron. 1, 2 (2017).
[8] Y. Li, V. Coropceanu, and J. L. Brédas, Chapter 7: Charge Transport in Crystalline Organic Semiconductors. in Organic Semiconductors: Basic Concepts. ISBN13:9789814699228, World Scientific, Singapore (2016).（专著章节）
[7] Y. Li, Y. P. Yi, V. Coropceanu*, and J. L. Brédas*, Optical Conductivity and Optical Effective Mass in a High-Mobility Organic Semiconductor: Implications for the Nature of Charge Transport. Phys. Rev. B 90, 245112 (2014).
[6] V. Coropceanu*, Y. Li, Y. P. Yi, L. Y. Zhu, and J. L. Brédas, Intrinsic Charge Transport in Single Crystals of Organic Molecular Semiconductors: A Theoretical Perspective. MRS Bull. 38, 57 (2013).（特邀综述）
[5] Y. Li, V. Coropceanu*, and J. L. Brédas*, Nonlocal Electron-Phonon Coupling in Organic Semiconductor Crystals: The Role of Acoustic Lattice Vibrations. J. Chem. Phys. 138, 204713 (2013).
[4] Y. Li, V. Coropceanu*, and J. L. Brédas*, Thermal Narrowing of the Electronic Bandwidths in Organic Molecular Semiconductors: Impact of the Crystal Thermal Expansion. J. Phys. Chem. Lett. 3, 3325 (2012).
[3] Y. Li, Y. P. Yi, V. Coropceanu*, and J. L. Brédas*, Symmetry Effects on Nonlocal Electron-Phonon Coupling in Organic Semiconductors. Phys. Rev. B 85, 245201 (2012).
[2] Y. Li, K. Gao, Z. Sun, S. Yin, D. S. Liu*, and S. J. Xie, Intrachain Polaron Motion and Geminate Combination in Donor-Acceptor Copolymers: Effects of Level Offset and Interfacial Coupling. Phys. Rev. B 78, 014304 (2008).
[1] Y. Li, X. J. Liu, J. Y. Fu, D. S. Liu*, S. J. Xie, and L. M. Mei, Bloch Oscillations in a One-Dimensional Organic Lattice. Phys. Rev. B 74, 184303 (2006).
教育经历
[1] 2000.9-2004.6
山东大学 | 物理学 | 理学学士学位
[2] 2004.9-2009.6
山东大学 | 凝聚态物理 | 理学博士学位
工作经历
[1] 2014.9-2016.12
沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）
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研究员
[2] 2010.1-2014.7
美国佐治亚理工学院
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博士后