Monocamada de g-GaN adsorvida por metal alcalino:funções de trabalho ultrabaixo e propriedades ópticas

Resumo

As propriedades eletrônicas e ópticas do nitreto de gálio semelhante ao grafeno adsorvido por metal alcalino (g-GaN) foram investigadas usando a teoria do funcional de densidade. Os resultados denotam que os sistemas g-GaN adsorvidos por metais alcalinos são compostos estáveis, com o local de adsorção mais estável sendo o centro do anel hexagonal. Além disso, por causa da transferência de carga do átomo de metal alcalino para o hospedeiro, a camada g-GaN mostra um comportamento de dopagem do tipo n claro. A adsorção de átomos de metal alcalino em g-GaN ocorre por quimissorção. Mais importante ainda, a função de trabalho de g-GaN é substancialmente reduzida após a adsorção de átomos de metal alcalino. Especificamente, o sistema g-GaN adsorvido em Cs mostra uma função de trabalho ultrabaixo de 0,84 eV, que tem grande potencial de aplicação em dispositivos de emissão de campo. Além disso, a adsorção de metal alcalino pode levar a um aumento na constante dielétrica estática e estender o espectro de absorção de g-GaN.

Histórico

Comparado com materiais semicondutores tradicionais, o GaN tridimensional é um material semicondutor de largo bandgap [1]. Como tal, pode permitir a operação do equipamento em ultra-alta voltagem, frequência ou temperatura e exibe alta eficiência luminosa, boa condutividade térmica, resistência a alta temperatura, resistência a ácidos e álcalis e propriedades anti-radiação. Como um material optoeletrônico, o GaN tridimensional tem aplicações potenciais em impressão a laser e discos compactos de alta densidade de armazenamento, potencialmente influenciando fortemente a tecnologia de armazenamento em computador [2]. Nos últimos anos, os materiais bidimensionais (2D) têm recebido grande atenção devido às suas fascinantes propriedades ópticas, mecânicas, eletrônicas e magnéticas e ao potencial para aplicações multifuncionais [3,4,5,6,7,8,9]. Os materiais 2D são muito mais finos do que os materiais a granel, e as propriedades mecânicas, eletrônicas, térmicas e ópticas de tais materiais diferem substancialmente daquelas de seus equivalentes a granel [10]. Especificamente, 2D GaN é um material de amplo bandgap com desempenho optoeletrônico aprimorado. Muito recentemente, foi sintetizado por meio de uma técnica de crescimento encapsulado aprimorado por migração [11].

Estudar e compreender a interação entre átomos em superfícies sólidas é um dos problemas científicos básicos no campo da física de superfície. Portanto, controlar essas estruturas de automontagem é importante para o desenvolvimento de nanodispositivos. Os átomos adsorvidos em uma superfície sólida podem interagir indiretamente através do espalhamento de elétrons ou distorção elástica do substrato, com a interação atômica de longo alcance modulada pelo substrato desempenhando um papel importante na automontagem atômica. Como os átomos de metal alcalino podem facilmente perder elétrons, a adsorção de metais alcalinos em materiais semicondutores pode mudá-los para o tipo n, o que por sua vez reduzirá sua função de trabalho e mudará suas propriedades optoeletrônicas [12]. Nos últimos anos, muitos grupos de pesquisa relataram estudos das propriedades optoeletrônicas de materiais 2D adsorvidos por metais alcalinos [13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]. Por exemplo, Chan et al. [13] investigaram a adsorção de átomos de metais alcalinos no grafeno e descobriram a redução da função de trabalho do grafeno. Jin et al. [14] e Qiao et al. [15] investigaram a adsorção de metais alcalinos no grafeno usando o método dos primeiros princípios e descobriram que as propriedades optoeletrônicas do grafeno são modificadas pela adsorção do metal alcalino. Muitos trabalhos anteriores investigaram que as propriedades eletrônicas e magnéticas das adsorções de adatom em fosforeno preto e azul, que encontraram as adsorções de superfície efetivamente funcionalizam o sistema de fosforeno com versáteis recursos spintrônicos [16,17,18]. No entanto, as propriedades fotoelétricas completas do g-GaN adsorvido por metal alcalino ainda não estão claras.

Neste artigo, as estruturas de banda, densidade de estados, funções de trabalho e propriedades ópticas de g-GaN primitivo e g-GaN adsorvido por metal alcalino são elaboradas; esta pesquisa é potencialmente importante para a fabricação de dispositivos optoeletrônicos e de emissão de campo baseados em g-GaN.

Métodos

Todos os cálculos são realizados usando o Ab initio Simulation Package de Viena baseado nos primeiros princípios com a teoria do funcional da densidade [24]. A aproximação de gradiente generalizado (GGA) na forma do funcional Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [25] foi adotada para descrever a interação de correlação de troca. O método GGA-PBE tem sido indicado como muito eficaz para pesquisas de superfície [26,27,28,29]. A energia cinética de corte para o conjunto de base da onda plana é 500 eV. Na direção perpendicular do plano g-GaN, o espaço de vácuo foi definido como 20 Å. A zona de Brillouin foi descrita por um conjunto de k -pontos em uma grade 9 × 9 × 1 usando o esquema centrado em Γ. Todos os átomos estão totalmente relaxados até que as forças de Hellmann-Feynman sejam inferiores a 10 ^{- 4} eV / Å e as mudanças totais de energia tornaram-se menores que 10 ^{- 4} eV [29].

A energia de adsorção para os sistemas g-GaN adsorvidos por metais alcalinos foi calculada usando o método de Cui et al. [12] De acordo com a seguinte equação:
$$ {E} _ {ads} ={E} _ {g- GaN \ \ mathrm {X}} - {E} _ {g- GaN} - {\ mu} _X, $$ (1)
onde E _anúncios é a energia de adsorção, E _g-GaN e E _g-GaN:X denotam a energia total de g-GaN puro antes e depois da adsorção de metal alcalino, respectivamente, e μ _X é o potencial químico de um único átomo de metal alcalino. Com base nesta equação, um valor negativo de E _anúncios denota uma estrutura estável.

A diferença de densidade de carga é descrita como
$$ \ varDelta \ rho ={\ rho} _T - {\ rho} _g - {\ rho} _x, $$ (2)
onde ρ _T , ρ _g e ρ _x são a carga total no g-GaN adsorvido por metal alcalino, g-GaN puro e átomo de adsorção, respectivamente.

Resultados e discussões

A Figura 1 mostra o modelo de g-GaN para quatro locais de adsorção diferentes; o T _N local está diretamente acima do átomo N, o T _Ga local está diretamente acima do átomo de Ga, o T _B local está acima do meio da ligação N-Ga e o T _M site está acima do centro de um hexágono. O E calculado _anúncios de g-GaN adsorvido por metal alcalino é mostrado na Tabela 1. Todos os E _anúncios de diferentes sítios são negativos, o que demonstra que o procedimento de adsorção de metais alcalinos em g-GaN é exotérmico e todos os sistemas de adsorção são estáveis. Esses resultados são semelhantes aos obtidos para nanofios de GaN adsorvidos em metais alcalinos [12]. Além disso, os resultados calculados indicam que a posição mais estável é o T _M local; assim, as discussões a seguir só dizem respeito ao T _M site de adsorção.

Modelo de g-GaN com diferentes sites de adsorção

Os parâmetros de rede do g-GaN primitivo e adsorvido por metal alcalino são mostrados na Tabela 2. Os parâmetros de rede do g-GaN puro são 3,254 Å, que estão em boa concordância com os resultados anteriores [30,31,32,33]. Além disso, os parâmetros de rede do g-GaN adsorvido em Li- ou Na são um pouco menores do que no g-GaN puro, enquanto o g-GaN adsorvido em K-, Rb- e Cs são maiores do que no g-GaN puro . Curiosamente, à medida que o número atômico de átomos de metal alcalino aumenta, os parâmetros de rede do g-GaN adsorvido por metal alcalino aumentam. Os comprimentos de ligação de N-X ou Ga-X são exibidos na Tabela 2. Os comprimentos de ligação de N-X ou Ga-X aumentam com o aumento do número atômico de átomos de metal alcalino. A altura de adsorção do g-GaN adsorvido por metal alcalino é mostrada na Tabela 2, a qual indica que a altura de adsorção aumenta com o aumento do número atômico de átomos de metal alcalino.

As estruturas de banda de g-GaN primitivo e adsorvido por metal alcalino são mostradas na Fig. 2. A Figura 2a mostra claramente que a estrutura de banda de g-GaN puro exibe caráter semicondutor, com um bandgap de 2,1 eV. Este resultado está de acordo com os relatórios anteriores [30,31,32,33]. No entanto, as estruturas de banda para g-GaN adsorvido por metal alcalino mostram que os níveis de Fermi entraram na banda de condução, como mostrado na Fig. 2b – f; assim, o sistema g-GaN adsorvido por metal alcalino apresenta um caráter metalizado, com uma lacuna aparecendo em aproximadamente -1,8 eV abaixo do nível de Fermi, e a lacuna de g-GaN adsorvida por metal alcalino é de aproximadamente 1,92 eV. Além disso, o g-GaN é transformado em um semicondutor do tipo n após a adsorção dos metais alcalinos devido à tendência dos metais alcalinos de perderem elétrons, resultando em um aumento do nível de Fermi dentro da banda de condução.

Estruturas de banda para g-GaN adsorvido por metal alcalino e puro: a g-GaN puro, b G-GaN adsorvido por lítio, c G-GaN adsorvido em Na, d G-GaN adsorvido em K, e G-GaN adsorvido por Rb e f G-GaN adsorvido em Cs. O nível Fermi é denotado por linhas verdes tracejadas

A densidade total de estados (TDOS) e a densidade parcial de estados (PDOS) de g-GaN primitivo e adsorvido por metal alcalino são mostrados na Fig. 3. Na Fig. 3a, o TDOS de g-GaN puro demonstra que é um semicondutor, consistente com o resultado da estrutura de banda. Os cálculos do PDOS mostram que o máximo da banda de valência para g-GaN original origina-se dos orbitais N-2p e Ga-4p, de acordo com os resultados anteriores [34, 35]. Para entender os estados do elétron perto do nível de Fermi, calculamos o PDOS do g-GaN adsorvido por metal alcalino. Como pode ser visto na Fig. 3b-f, os estados do elétron próximos ao nível de Fermi são governados principalmente pelos orbitais Ga-4s, N-2p e 2s dos metais alcalinos.

Densidade de estados para g-GaN primitivo e adsorvido por metais alcalinos: a g-GaN puro, b G-GaN adsorvido por lítio, c G-GaN adsorvido em Na, d G-GaN adsorvido em K, e G-GaN adsorvido por Rb e f G-GaN adsorvido em Cs

A transferência de carga é um aspecto importante do sistema de adsorção. A diferença de densidade de carga com um valor de isosuperfície de 0,002 e / Å ³ para g-GaN adsorvido por metal alcalino é mostrado na Fig. 4. Curiosamente, as distribuições de elétrons estão entre todos os átomos de metal alcalino e os três átomos de N sub-coordenados. Portanto, o g-GaN adsorvido por metal alcalino é formado por quimissorção. Além disso, a grande região ciano localizada no átomo de metal alcalino sugere uma grande transferência do átomo de metal alcalino para g-GaN. A análise de carga de Bader mostra que existem cerca de 0,8833 | e |, 0,7803 | e |, 0,7997 | e |, 0,7905 | e |, 0,7936 | e | transferir de Li, Na, K, Rb, Cs para g-GaN. Assim, todos os resultados acima confirmaram o quadro de que as interações em g-GaN adsorvido por metal alcalino são ligações iônicas.

A diferença de densidade de carga para g-GaN adsorvido por metal alcalino. a g-GaN / Li, b g-GaN / Na, c g-GaN / K, d g-GaN / Rb, e g-GaN / Cs.As regiões magenta e ciano denotam o ganho e a perda de elétrons, respectivamente. O valor da isosuperfície é definido como 0,002 e / Å ³

A função de trabalho é um fator crítico para equilibrar as propriedades optoeletrônicas dos materiais. A função de trabalho dos materiais é igual ao nível de vácuo deduzido do nível de Fermi. Para revelar a viabilidade intrigante, estudamos o ajuste da função de trabalho de g-GaN por adsorção de metal alcalino. A Figura 5 mostra o esquema da função de trabalho de g-GaN puro e g-GaN adsorvido por metal alcalino. A função de trabalho do g-GaN puro é 4,21 eV, que é ligeiramente maior do que a dos nanofios de GaN [12]. As funções de trabalho são 2,47, 1,88, 1,49, 1,29 e 0,84 eV para g-GaN adsorvido em Li-, Na-, K-, Rb- e Cs, respectivamente; assim, a função de trabalho de g-GaN é substancialmente reduzida após a adsorção de um adatom de metal alcalino. Além disso, as funções de trabalho do g-GaN adsorvido por metal alcalino são inferiores às dos nanofios de GaN adsorvido por metal alcalino [12]. O principal motivo pode ser devido à diferença de estrutura entre a monocamada de GaN e os nanofios. Além disso, a função de trabalho diminuída demonstra que o g-GaN adsorvido por metal alcalino pode ser usado para dispositivos de emissão de campo.

O esquema da função de trabalho para g-GaN primitivo e adsorvido por metal alcalino

A seguir, investigamos o efeito da adsorção de metal alcalino nas propriedades ópticas de g-GaN. As propriedades ópticas dos materiais podem ser representadas pela parte real ε ₁ ( ω ) e parte imaginária ε ₂ ( ω ) da função dielétrica, absorção a ( ω ), refrativo n ( ω ), refletividade R ( ω ), função de perda de energia L ( ω ), e os espectros do coeficiente de extinção K ( ω ), conforme relatado anteriormente [36,37,38,39,40]. A parte real ε ₁ ( ω ) em função de ω para g-GaN primitivo e adsorvido por metal alcalino é mostrado na Fig. 6a. O ε ₁ ( 0 ) de g-GaN puro é 1,48, e o ε ₁ ( 0 ) de g-GaN adsorvido por metal alcalino é 2,33 (Li), 3,13 (Na), 3,56 (K), 3,81 (Rb) e 3,81 (Cs). Os dados mostram que o ε ₁ ( 0 ) de g-GaN adsorvido por metal alcalino é maior do que g-GaN puro; assim, as propriedades ópticas de g-GaN são altamente sensíveis e ajustáveis. Além disso, quando a energia é maior que 15 eV, a tendência para a parte real do espectro é idêntica àquela correspondente à adsorção por diferentes metais alcalinos. A parte imaginária ε ₂ ( ω ) em função de ω para g-GaN primitivo e adsorvido por metal alcalino é mostrado na Fig. 6b. Dois picos estreitos localizados em 6,18 e 10,76 eV, que se originam da transição dos elétrons N-2p para os estados s dos cátions, são desviados para energias mais baixas após a adsorção de metais alcalinos. Além disso, um pico alto surge em 1,22 eV após a adsorção de metal alcalino.

As partes reais e imaginárias do g-GaN adsorvido por metal alcalino e primitivo: a partes reais, b partes imaginárias

A Figura 7 mostra o coeficiente de absorção e os índices de refração para g-GaN primitivo e adsorvido por metal alcalino. Na Fig. 7a, a borda de absorção de g-GaN primitivo começa em 2,77 eV; esta absorção decorre da transição do elétron excitado dos estados N-2p localizados no topo da banda de valência para os estados do cátion 2 s vazio. O espectro de g-GaN puro mostra dois picos localizados em 6,28 e 10,95 eV; esses picos exibem um desvio para o vermelho após a adsorção de metais alcalinos. Além disso, as intensidades dos dois picos diminuem após a adsorção de metais alcalinos. Além disso, um novo pico emerge em 1,61 eV após a adsorção de metal alcalino, e alguns picos diversos aparecem em energias maiores que 12,46 eV nos espectros de g-GaN adsorvido em K-, Rb- e Cs. Esses resultados indicam que os materiais g-GaN adsorvidos por metais alcalinos mostram uma ampla faixa de ajuste em seus espectros de absorção. Além disso, os coeficientes de absorção para g-GaN primitivo e adsorvido por metal alcalino estão relacionados à parte imaginária e ao índice de extinção, como mostrado nas Figs. 6b e 8c. Conforme mostrado na Fig. 7b, os valores para n ( 0 ) são 1,22 (puro), 1,53 (Li), 1,78 (Na), 1,89 (K), 1,99 (Rb) e 1,99 (Cs). O n ( 0 ) os valores para g-GaN puro e g-GaN adsorvido por metal alcalino são ligeiramente mais baixos do que aqueles obtidos para nanofios de GaN puro e nanofios de GaN adsorvido por metal alcalino [12]. Com o aumento da fotoenergia, o índice de refração do g-GaN puro atinge um valor máximo de aproximadamente 1,65 a 5,88 eV, enquanto os índices de refração do g-GaN adsorvido por metal alcalino atingem um valor máximo de aproximadamente 1,75-2,25 a 0,7-2 eV. Além disso, os índices de refração do g-GaN puro e do g-GaN adsorvido por metal alcalino atingem um valor mínimo de aproximadamente 11,41 eV. Finalmente, os índices de refração permanecem inalterados com um valor de 0,91 quando a energia da foto é maior que 15 eV.

O coeficiente de absorção e índices de refração para g-GaN primitivo e adsorvido por metal alcalino: a coeficiente de absorção, b índices de refração

O coeficiente de refletividade, a função de perda de energia e o coeficiente de extinção para g-GaN primitivo e adsorvido por metal alcalino: a coeficiente de refletividade, b função de perda de energia, c coeficiente de extinção

O coeficiente de refletividade R ( ω ) para g-GaN primitivo e adsorvido por metal alcalino é mostrado na Fig. 8a. Um forte pico de reflexão está localizado em 11,3 eV para o g-GaN puro; no entanto, a intensidade do pico diminui após a adsorção de metal alcalino. Além disso, um novo pico de reflexão emerge na região de baixa energia (0–2,5 eV), o que indica que o espectro de reflexão é estendido após a adsorção de metal alcalino. A função de perda de energia L ( ω ) para g-GaN primitivo e adsorvido por metal alcalino é mostrado na Fig. 8b; os dados mostram que o pico mais proeminente para g-GaN puro está localizado em aproximadamente 11,57 eV, enquanto o pico mais proeminente para g-GaN adsorvido por metal alcalino aparece em 11,12 eV. A intensidade de pico para o g-GaN adsorvido por metal alcalino é menor do que para o g-GaN puro; assim, a perda de energia é mais lenta para a transmissão de elétrons em g-GaN adsorvido por metal alcalino. Além disso, o g-GaN adsorvido por metal alcalino é um composto estável. O coeficiente de extinção K ( ω ) de g-GaN primitivo e adsorvido por metal alcalino é mostrado na Fig. 8c. O coeficiente de extinção para o g-GaN adsorvido por metal alcalino é semelhante ao coeficiente de refletividade. Assim, as propriedades ópticas de g-GaN podem ser ajustadas por meio da adsorção de átomos de metal alcalino, o que é útil para a fabricação de dispositivos optoeletrônicos.

Conclusões

As propriedades eletrônicas e ópticas de sistemas de g-GaN adsorvidos por metais alcalinos foram investigadas usando a teoria do funcional da densidade. Os resultados são resumidos da seguinte forma:(1) todos os g-GaN adsorvidos por metais alcalinos são bastante estáveis com o local de adsorção mais estável sendo o T _M local. (2) A adsorção de átomos de metal alcalino em g-GaN ocorre por quimissorção. (3) Um comportamento de n-dopagem pode ser encontrado em g-GaN após a adsorção de adátomos de metal alcalino. (4) A função de trabalho de g-GaN é consideravelmente reduzida após adsorção de metal alcalino, com o sistema g-GaN adsorvido em Cs mostrando a função de trabalho mínima de apenas 0,84 eV, portanto, o sistema g-GaN adsorvido em Cs tem aplicação potencial em dispositivos de emissão de campo. (5) A adsorção de metal alcalino pode levar a um aumento na constante dielétrica estática e estender o espectro de absorção de g-GaN. Consequentemente, a adsorção de metais alcalinos pode ser usada para decorar e aumentar as propriedades optoeletrônicas do g-GaN, que pode ser usado para produzir dispositivos fotoelétricos.

Abreviações

2D:: Bidimensional
GGA:: Aproximação de gradiente generalizado
g-GaN:: Nitreto de gálio semelhante ao grafeno
PBE:: Perdew-Burke-Ernzerhof
PDOS:: Densidade parcial de estados
TDOS:: Densidade total de estados

Síntese fácil de nanopartículas de irídio livres de ligante e sua biocompatibilidade in vitro Desempenho energético aprimorado com base na integração com os nanolaminados de Al / PTFE

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias