Análise Primeiros Princípios Mobilidade Portadores Heterobilayers Grafeno Hidrogenado/h-BN

Resumo

Heterobilayer grafeno hidrogenado (HG)/nitreto boro hexagonal (h-BN) é estrutura ideal para transistor efeito campo alto desempenho. Neste artigo, mobilidades portadores heterobilayer HG/h-BN investigadas baseadas cálculos primeiros princípios considerando influência padrão empilhamento entre HG e h-BN, cobertura hidrogenação e padrão hidrogenação. Com mesmo padrão hidrogenação, mobilidade elétrons diminui monotonamente quando cobertura hidrogênio aumenta. Com mesma cobertura hidrogênio, diferentes padrões hidrogenação levam mudanças significativas mobilidade. Para 25% e 6,25% HGs, μ_e (ΓK) padrão I 25% é 8985,85 cm²/(V s) e 6,25% padrão I é 23.470,98 cm²/(V s), muito maiores que outros padrões. Enquanto isso, substrato h-BN afeta mobilidades lacunas significativamente, mas tem influência limitada mobilidades elétrons. Mobilidades lacunas padrões empilhamento I e II próximas HG monocamada, mas muito menores que padrões empilhamento III e IV.

Introdução

Grafeno hidrogenado (HG) é um dos materiais baseados grafeno mais promissores. Despertou atenção generalizada devido amplas aplicações, como armazenamento hidrogênio, ferromagnetismo, fluorescência, retificação térmica. Em contraste grafeno metálico, HG previsto semicondutor com banda proibida ajustável. Assim, pode ser usado material canal transistor efeito campo (FET). FETs excelentes devem ter mobilidade portadores ultra-alta material canal. Bem conhecido, substrato SiO₂ tradicional tem efeito negativo significativo desempenho FET. Recentemente, estudos mostram monocamada nitreto boro hexagonal (h-BN) candidata promissora substrato FET baseado grafeno. Monocamada h-BN e HG são estruturas compatíveis rede, indicando melhor desempenho contato. Portanto, heterobilayer HG/h-BN estrutura ideal canal FET. Infelizmente, poucos estudos relacionados propriedades eletrônicas heterobilayer HG/h-BN. Desempenho mobilidade portadores heterobilayer HG/h-BN ainda questão em aberto.

Maioria estudos atuais HG dedicados engenhar propriedades eletrônicas desejadas via hidrogenação. Gao et al. estudaram dependência cobertura hidrogênio e configuração banda proibida HG. Sahin et al. compararam efeito nanoestruturas padrão adátomo (hidrogenação) e padrão buraco (remoção átomo carbono) grafeno sobre estrutura banda. Shkrebtii et al. investigaram estrutura banda HG, onde estrutura HG limitada sistema C₁₆Hₙ (n = 0,2,8,16). Song et al. calcularam banda proibida HGs diferentes vacâncias hexágono. Bruzzone et al. calcularam mobilidades HGs diferentes coberturas hidrogênio (100%, 75%, 25%) simulações ab-initio e encontraram 25% HG obteve maior mobilidade. Também alguns estudos sobre aplicação hidrogenação h-BN. Chen et al. utilizaram hidrogenação realizar transição semicondutor-metal h-BN. Liang et al. estudaram interações entre 100% HG e 100% h-BN hidrogenado. Mostra mobilidade elétrons HG/h-BN hidrogenado apenas 50 cm²/(V s) longe mobilidade grafeno.

Em suma, estudos atuais mobilidade portadores heterobilayer HG/h-BN ainda insuficientes. Principais fatores afetam mobilidade portadores heterobilayer HG/h-BN, nomeadamente cobertura hidrogênio, padrão hidrogenação e padrão empilhamento entre HG e h-BN, devem ser esclarecidos. Neste artigo, mobilidades portadores estruturas heterobilayer HG/h-BN investigadas baseadas cálculos primeiros princípios. Primeiro, efeito substrato h-BN mobilidades HG investigado. Segundo, propriedades eletrônicas HG diferentes coberturas hidrogênio comparadas. Finalmente, diferentes padrões hidrogenação aplicados 25% e 6,25% HG revelar influência padrão hidrogenação.

Métodos

Todos cálculos implementados Atomistix ToolKit (ATK) baseados teoria funcional densidade (DFT). Correlação troca aproximação gradiente generalizada (GGA) funcional Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE). Correção van der Waals (vdW) adotou método Grimme DFT-D2 para estruturas heterobilayer. Comprimento célula direção z (perpendicular plano HG) 20 Å, eliminar efeito imagens periódicas. Amostragem k-point 33×33×1 grade Monkhorst-Pack.

Aproximação potencial deformação (DPA) usada investigar mobilidade portadores; expressão mobilidade portadores material 2D:

μ = (e ħ³ C₂D) / (k_B T m* m_d E₁²), (1)

onde e carga elétron, ħ constante Planck reduzida, k_B constante Boltzmann, T temperatura (definida 300 K casos), C₂D módulo elástico direção propagação. E₁ constante potencial deformação definida E₁ = ΔV/(Δl/l₀). ΔV mudança energia sob compressão e dilatação célula próprias. Mudança mínimo banda condução (CBM) usada elétrons e máximo banda valência (VBM) lacunas. l₀ comprimento rede direção transporte e Δl sua deformação (Δl/l₀ definido -0,01, -0,005, 0, 0,005, 0,01). m* massa efetiva direção transporte, calculada:

m* = ħ² [∂²E(k)/∂k²]⁻¹, (2)

onde k vetor onda e E energia. m_d massa densidade-estado equivalente definida m_d = (m_x m_y)^0.5. Constante potencial deformação e massa efetiva deduzidas estruturas banda, enquanto módulo elástico extraído relações dispersão fônons. Deve enfatizar método DPA pode superestimar mobilidades arseneno, antimoneno e siliceno porque não considera efeito fônons acústicos flexurais (ZA). Shuai et al. discutiram aplicabilidade DPA e encontraram pode estimar bem propriedades eletrônicas grafeno e grafino. Fônons ZA papel menor interações elétron-fônons materiais bidimensionais carbono. Mobilidade eletrônica grafeno a temperatura ambiente estimada 3,4×10⁵ cm²/(V s) método DPA e 3,2×10⁵ cm²/(V s) considerando todas interações elétron-fônons. Quanto HG, reanalisaremos efeito fônons ZA próxima parte.

Resultados e Discussão

Primeiro, diferentes padrões empilhamento entre h-BN e HG investigados, onde HG 100% hidrogenado. Deve enfatizar interação entre HG e h-BN força vdW, muito mais fraca ligação covalente. Portanto, desnecessário analisar outros heterobilayers HG/h-BN. Quatro possíveis padrões empilhamento heterobilayer, vistos Fig. 1a-d, onde "a" parâmetro rede e "d" distância intercamada. Distância intercamada definida distância centros geométricos camada HG e camada h-BN, marcada Fig. 1a. Padrões I e II, dois esqueletos empilhamento AA, enquanto padrões III e IV empilhamento AB. Estruturas otimizadas geometria método otimizador LBFGS primeiro. Critérios convergência tolerância força menores 0,001 eV/Å. Após otimização geometria, parâmetro célula unitária 2,52 Å todos padrões empilhamento, enquanto distância intercamada depende padrão empilhamento. Distância intercamada padrão I menor, padrão III maior. Correções vdW quatro padrões -651,69 meV, -658,14 meV, -658,22 meV, -651,54 meV, respectivamente. Obviamente, tendência interação vdW coincide distância intercamada.

Estrutura banda uma das propriedades eletrônicas mais importantes. Estruturas banda correspondentes padrões empilhamento I-IV mostradas Fig. 2. Duas linhas negrito cada figura representam bandas incluindo CBM (cima) e VBM (baixo), respectivamente. Γ (0,0,0), M (0,0.5,0), K (0.333,0.333,0) pontos simetria zona Brillouin. Informações principais estrutura banda, incluindo banda proibida direta (DBG), banda proibida indireta (IBG), posições CBM e VBM, devem ser notadas. Geralmente, quatro padrões têm estruturas banda similares. Padrões I-IV, CBM e VBM ponto K e Γ, respectivamente. Padrões I e IV têm DBG similar (4,35 eV) e IBG (3,25 eV), enquanto DBG e IBG padrões II e III cerca 4,22 eV e 2,98 eV. Comparando distâncias intercamada, conclui-se interação intercamada mais forte leva banda proibida mais larga. Deve enfatizar estrutura banda monocamada h-BN também calculada PBE. Banda proibida h-BN 4,65 eV concorda bem valor relatado. No geral, método adequado h-BN.

Segundo, influências cobertura hidrogênio e padrões hidrogenação consideradas, enquanto influência hidrogenação origina mudança ligações covalentes, muito mais forte força vdW. Portanto, apenas monocamada HG investigada esta parte. Estruturas consideradas mostradas Fig. 3, onde símbolos denotam átomos carbono ligados átomo hidrogênio lados diferentes. Estabilidade toda estrutura, átomos hidrogênio distribuídos uniformemente cada lado. 100% HG apenas tem um padrão estável. 25% HG composto 8C e 2H tem três diferentes padrões. 6,25% HG tem 32C e 2H célula primitiva. Apenas dois padrões 6,25% HG considerados. Como mostrado Fig. 3b, c, dois átomos carbono hidrogenados adjacentes entre si padrão I e afastados padrão II. Deve notar 6,25% padrão I, 25% padrão I e 100% HG mesmo tipo (dois átomos carbono hidrogenados adjacentes). Fig. 3, E_f energia formação por átomo:

E_f = (E_total - n_H E_H - E_grafeno) / n_H, (3)

onde E_total energia total HG, E_grafeno refere energia grafeno pristino, E_H energia por átomo molécula H₂, n_H número átomos hidrogênio adsorvidos. E_f usada verificar estabilidade estrutura, E_f negativo sugere estabilidade termodinâmica. Resultados Fig. 3 implicam todos HGs listados estáveis. η denota porcentagem aumento parâmetro rede HG contraste grafeno (comprimento mínimo célula unitária grafeno 2,47 Å). No geral, aumento rede diminui com diminuição cobertura hidrogênio. 6,25% HG, η quase desprezível. Além cobertura hidrogênio, padrão hidrogenação também influencia rede. 25% HG, padrão I expandido menos entre três padrões, principalmente porque átomos carbono hidrogenados adjacentes. Δ parâmetro encurvamento, definido desvio padrão deslocamentos fora-plano átomos carbono. Geralmente, parâmetro encurvamento aumenta com aumento cobertura hidrogênio.

Estruturas banda HGs acima mostradas Fig. 4. Banda proibida 100% HG cerca 4,14 eV, bom acordo literatura prévia. 25% HG, banda proibida fortemente afetada padrão hidrogenação. Padrão II tem IBG 3,0 eV, enquanto IBG padrão III 0 eV. IBG zero não-zero indica transição metálico-semicondutor. Além disso, padrão II tem DBG e IBG diferentes, sugerindo CBM e VBM pontos diferentes. 6,25% HG, VBM e CBM mesmos pontos ambos dois padrões, qual padrão I (0.153, 0.423, 0) e padrão II (0.24, 0.24, 0). Banda proibida dois 6,25% HGs 0 eV e 0,49 eV, ambas reduzidas significativamente contraste 100% HG. Geralmente, tanto cobertura hidrogênio quanto padrões hidrogenação métodos efetivos modular banda proibida.

Tabela 1 apresenta valores estimados módulo elástico C₂D, massa efetiva m* e constante potencial deformação E₁. C₂D e m* parâmetros dependentes direção. Entre todas direções, ΓM e ΓK mais preocupadas. Portanto, C₂D (ΓM/ΓK) e m* (ΓM/ΓK) listados Tabela 1. C₂D = ρ v_g², onde ρ densidade e v_g denota velocidade grupo fônon acústico. Como hidrogenação poucos efeitos velocidade grupo, C₂D diferentes HGs similares entre si. HG v_g cerca 23 km/s direção ΓK e 19,4 km/s ΓM, então C₂D (ΓK) muito maior C₂D (ΓM). Constante potencial deformação não tem tendência regular diferentes padrões. Geralmente, interação vdW entre HG e h-BN aumenta constante potencial deformação.

Massa efetiva mais complicada, pois depende portador e direção. Três pontos devem ser notados massa efetiva. Primeiro, massa efetiva elétrons 100% HG e 100%-HG/h-BN heterobilayer isotrópicas, i.e., m*(ΓM) = m*(ΓK). Estrutura heterobilayer leva leve queda massa efetiva elétrons comparado 100% HG monocamada. Padrão empilhamento tem leve influência massa efetiva elétrons (todos quatro padrões empilhamento cerca 0,90). Segundo, sob mesmo padrão hidrogenação (i.e., 100%, 25% padrão I e 6,25% padrão I), m*_e (ΓK) diminui com diminuição cobertura hidrogênio. Mostra limite 0,024 (massa efetiva grafeno) cobertura hidrogênio reduz zero. Terceiro, sob mesma cobertura hidrogênio, massa efetiva também afetada padrão hidrogenação. 25% HG, massa efetiva elétrons padrão I muito menor outros dois. Em suma, massa efetiva mais provável afetada hidrogenação não módulo elástico e constante potencial deformação.

Tabela 2, mobilidades elétrons e lacunas computadas baseadas parâmetros acima. Como massa efetiva mais provável afetada, tendência mobilidade similar tendência massa efetiva. Geralmente, hidrogenação reduz dramaticamente mobilidade grafeno. Mobilidade teórica grafeno (3,2×10⁵ cm²/(V s)) várias ordens magnitude maior que HG. Além disso, HGs têm mobilidades assimétricas (μ_e ≠ μ_h) e anisotrópicas (μ(ΓM) ≠ μ(ΓK)). Três detalhes notados. Primeiro, sob mesmo padrão hidrogenação, mobilidade elétrons diminui monotonamente com aumento cobertura hidrogênio. Mas, se sob diferente padrão hidrogenação, conclusão não sempre estabelecida. Exemplo, mobilidades 25% padrão II menores que 100% HG. Segundo, 25% e 6,25% HGs, padrão I tem μ_e maior comparado outros padrões. μ_e (ΓK) 25% padrão I 8985,85 cm²/(V s) e μ_e (ΓK) 6,25% padrão I 23.470,98 cm²/(V s), muito maiores fosforeno negro e MoS₂. Terceiro, substrato h-BN afeta mobilidades lacunas significativamente, enquanto pouco efeito mobilidades elétrons. Indica mobilidades lacunas padrões empilhamento I e II próximas HG monocamada, mas muito menores que padrões empilhamento III e IV. Portanto, diferentes padrões empilhamento têm efeitos significativos mobilidades lacunas mas pouco efeitos mobilidades elétrons.

Além disso, mobilidade 100% HG recalculada considerando todas interações elétron-fônons, nomeadamente acústico longitudinal (LA), acústico transversal (TA) e fônons ZA. Resultados mostram mobilidade elétrons 105 cm²/(V s) direção ΓK. Figura 5 dá elementos matriz interação elétron-fônons |g| LA, TA e ZA fônons. Mostra fônons LA dominam interações elétron-fônons. No geral, fônons LA têm maior força interação elétrons comparado TA e ZA fônons. Embora valor mobilidade ligeiramente menor que calculado método DPA, diferença dois métodos HG muito menor que arseneno, antimoneno, siliceno. Geralmente, método DPA viável nosso estudo.

Conclusões

Em resumo, mobilidades portadores heterobilayer HG/h-BN investigadas baseadas cálculos primeiros princípios. Influência mobilidades discutida termos padrões empilhamento heterobilayer HG/h-BN, cobertura hidrogênio e padrão hidrogenação. Módulo elástico C₂D, massa efetiva m* e constante potencial deformação E₁ calculados analisar mobilidades. Constante potencial deformação não tem tendência regular diferentes padrões. Módulo elástico e massa efetiva HGs dependentes direção. Resultados mostram direção ΓK tem maior módulo elástico. Massa efetiva mais provável afetada diferentes hidrogenações e padrões empilhamento. Sob mesmo padrão hidrogenação, mobilidade elétrons diminui monotonamente com aumento cobertura hidrogênio. Sob mesma cobertura hidrogênio, diferentes padrões levam mudança significativa mobilidades. 25% e 6,25% HGs, μ_e (ΓK) 25% padrão I 8985,85 cm²/(V s) e μ_e (ΓK) 6,25% padrão I 23.470,98 cm²/(V s); ambos muito maiores outros padrões. Quanto influência substrato h-BN, diferentes padrões empilhamento afetam mobilidades lacunas significativamente, mas dificilmente afetam mobilidades elétrons. Mobilidades lacunas padrões empilhamento I e II próximas HG monocamada, mas muito menores que padrões empilhamento III e IV. No geral, heterobilayer HG/h-BN tem mobilidade portadores considerável e banda proibida sob padrão hidrogenação específico, com perspectivas aplicação promissoras eletrônica e fotônica.