Ajustando propriedades eletrônicas de fosforeno azul / Grafeno-like GaN van der Waals heteroestruturas por campo elétrico externo vertical

Resumo

As propriedades estruturais e eletrônicas de heteroestruturas de GaN van der Waals em monocamada e bicamada azul fosforeno / grafeno-like são estudadas usando cálculos de primeiro princípio. Os resultados mostram que a heteroestrutura de GaN de fosforeno / semelhante a grafeno de azul monocamada é um semicondutor de bandgap indireto com alinhamento de banda intrínseco do tipo II. Mais importante, o campo elétrico externo ajusta o bandgap de GaN de fosforeno / grafeno-azul monocamada e GaN de fosforeno / grafeno-azul de bicamada, e a relação entre gap e campo elétrico externo indica um efeito Stark. A transição semicondutor para metal é observada na presença de um forte campo elétrico.

Introdução

Materiais bidimensionais (2D) como grafeno [1], dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) [2], fosforeno preto (BP) [3] e GaN semelhante ao grafeno (g-GaN) [4] estiveram no destaque, devido às suas propriedades físicas fascinantes e aplicações potenciais em dispositivos. Como uma área de pesquisa emergente, a maneira como as heteroestruturas são montadas a partir dos átomos isolados continua sendo um campo de pesquisa empolgante. É considerada uma nova forma de construção de dispositivos, que integra as propriedades de cada componente isolado com propriedades ideais aplicadas em nanoeletrônica [5, 6]. Devido à interação das camadas atômicas [7], essas heteroestruturas possuem propriedades excelentes em comparação com os materiais 2D puros, e suas propriedades são preservadas sem degradação quando são unidas camada por camada. Até o momento, muitos esforços foram feitos para obter heteroestruturas de van der Waals (vdW). É importante notar que as heteroestruturas vdW baseadas em fosforeno azul (blue-P), como blue-P / TMDs [8,9,10] e blue-P / graphene [11] têm atraído cada vez mais atenção devido à sua excelente eletrônica e características ópticas.

Entre os materiais semicondutores 2D mencionados acima, a monocamada de blue-P foi preparada por crescimento epitaxial em substratos de Au (111) pela primeira vez em 2016 [7]. Z. Zhang et. al. previu o crescimento epitaxial de monocamadas de blue-P em substratos de GaN (001) e propôs um mecanismo de crescimento de "meia camada" não convencional. Ressalta-se também que o blue-P é mais estável na superfície do GaN (001) devido à afinidade química entre o fósforo e o gálio e o bom casamento de rede [12]. Blue-P, consistindo de uma única camada verticalmente corrugada de átomos de fósforo, atrai intenso interesse de pesquisa devido às suas excelentes propriedades, como bandgap considerável e alta mobilidade [13, 14]. Além disso, g-GaN, como um novo material 2D, pode ser sintetizado experimentalmente por meio de uma técnica de crescimento encapsulado aprimorado por migração (MEEG) [15]. Simulações teóricas mostraram que g-GaN é um semicondutor com bandgap indireto, que pode ser eficientemente manipulado por um campo elétrico externo [16]. Como outros materiais 2D, g-GaN também pode ser hidrogenado e halogenado convenientemente. Todos esses estudos mostraram que g-GaN é um semicondutor 2D alternativo para aplicações em muitos campos importantes no futuro. O parâmetro de rede de g-GaN poderia combinar bem com blue-P, o que indica que blue-P / g-GaN é um sistema de material ideal para a construção de heteroestruturas, bem como uma excelente camada de inserção para ajuste de suas propriedades eletrônicas por a interação interlayer. Nesse sentido, é importante investigar as propriedades eletrônicas e ópticas das heteroestruturas blue-P / g-GaN vdW. No entanto, poucas pesquisas foram investigadas para estudar as propriedades das heteroestruturas blue-P / g-GaN vdW [17, 18].

Neste trabalho, as propriedades estruturais eletrônicas e a tendência de variação da energia do bandgap ( E _g ) com o campo elétrico externo vertical ( E _ext ) no blue-P / g-GaN as heteroestruturas vdW são avaliadas e conduzidas usando os cálculos de primeiros princípios com o funcional de correlação de troca corrigido por vdW.

Métodos Computacionais

As estruturas de banda e propriedades elétricas das heteroestruturas vdW de azul-P / g-GaN de monocamada e bicamada foram investigadas usando o Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP) [19], que é baseado na teoria do funcional da densidade (DFT) [20 , 21] em uma base de onda plana definida com o potencial do método de onda aumentada do projetor (PAW) [22, 23]. A aproximação de gradiente generalizado (GGA) com a função Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [24] é adotada para descrever a energia de correlação de troca de elétrons. Uma vez que a aproximação GGA-PAW geralmente subestima o E _g de semicondutores, o funcional de hibridização HSE06 é realizado para corrigi-los. O efeito da interação vdW [25] é descrito pelo método DFT-D2 de Grimme. Aqui, uma energia de corte de 500 eV para a base da onda plana foi definida para garantir a convergência da energia total. Uma espessura de vácuo de 20 Å ao longo do Z a direção das heteroestruturas blue-P / g-GaN é adicionada para eliminar a interação com as imagens de réplica espúrias. As posições atômicas são otimizadas até que a tolerância de convergência da força em cada átomo seja menor que 0,001 eV / Å. A primeira integração da zona de Brillouin é usada por uma grade fina de 7 × 7 × 1 para a otimização da estrutura e 21 × 21 × 1 para o cálculo do estado eletrônico.

Resultados e discussão

Várias estruturas mostradas em nosso trabalho anterior foram estudadas como uma referência para obter a estrutura mais estável das heteroestruturas de bicamada [18]. As constantes de rede otimizadas são 3,25 Å e 3,20 Å para bicamada-blue-P e g-GaN, respectivamente, cujos valores estão de acordo com os estudos relatados [9, 26]. A incompatibilidade de rede é de cerca de 2% apenas [18]. Para obter a configuração de energia mínima e avaliar a estabilidade térmica das estruturas, a camada blue-P é movida em relação à camada g-GaN e a configuração de energia mais baixa é encontrada por quantidades finitas δ _{x / y} . A evolução da diferença de energia total em função de δ _x e δ _y é mostrado em nossos estudos anteriores [18]. A Figura 1a mostra as estruturas atômicas das vistas lateral e superior da bicamada-blue-P em g-GaN. O modo de empilhamento ideal de bicamadas blue-P é consistente com o artigo anterior [27]. A Figura 1b demonstra a relação entre a energia de ligação ( E _b ) na interface e a distância entre camadas de blue-P e g-GaN ( d _{blue-P / g-GaN} ) Sua definição foi descrita em detalhes em nossos estudos anteriores [18]. O E _b é cerca de 49 meV para o blue-P de camada única com uma distância de equilíbrio de 3,57 Å. Para a bicamada, a energia de ligação é quase igual à da camada única, enquanto a distância de equilíbrio é 3,52 Å. Essas energias de ligação têm a mesma ordem de magnitude que outros cristais vdW, como BP / grafeno [ E _b =60 meV] [11], azul-P / grafeno [ E _b =70 meV] [6], e bicamada azul-P [ E _b =25 meV] [27].

a Vista lateral e superior da bicamada blue-P em g-GaN. b Energia de ligação em função da distância d _{blue-P / g-GaN} para o sistema de monocamada e bicamada. A inserção mostra o zoom próximo ao mínimo da energia de ligação

A Figura 2a-b exibe as estruturas de banda da heteroestrutura monocamada-blue-P / g-GaN e heteroestrutura bicamada-blue-P / g-GaN, com E _g de 1,26 eV e 1,075 eV calculados usando GGA, respectivamente. Para o método HSE06, o E _g é 2,2 eV e 1,91 eV, respectivamente. Para ambas as heteroestruturas, os estados de energia mínima na banda de condução estão próximos ao ponto M e os estados de energia máxima na banda de valência estão no ponto K, os dois pontos não estão no mesmo momento de cristal na zona de Brillouin. Assim, o bandgap é um band gap indireto para ambas as heteroestruturas semicondutoras. O E _g da heteroestrutura monocamada-blue-P / g-GaN diminui 0,63 eV em comparação com a monocamada-blue-P (1,89 eV), enquanto a E _g de bicamada-blue-P (1,118 eV) encolhe 0,043 eV em contraste com a heteroestrutura de bicamada-blue-P / g-GaN. A curvatura da banda pode ser alcançada a partir da diferença entre os níveis de Fermi do blue-P com o sistema g-GaN e o blue-P autônomo [28]:Δ E _F = W - W _P , onde W é a função de trabalho do sistema composto (blue-P / g-GaN), e W _P é a função de trabalho do prístino blue-P. O Δ E _F de - 1,17 eV e - 0,81 eV para as heterojunções monocamada-blue-P / g-GaN e as heterojunções bicamada-blue-P / g-GaN são obtidas respectivamente, como mostrado na Fig. 2c, d. Como se pode ver, o tipo de alinhamento da banda de energia é a lacuna escalonada (tipo II) nas interfaces para todas as heteroestruturas monocamada-azul-P / g-GaN e as heteroestruturas bicamada-azul-P / g-GaN.

Estruturas de banda de a heteroestrutura monocamada-blue-P / g-GaN e b heteroestrutura de bicamada-blue-P / g-GaN, respectivamente; alinhamentos de banda e funções de trabalho relacionadas a c heteroestrutura monocamada-blue-P / g-GaN e d heteroestrutura bicamada-blue-P / g-GaN

A heteroestrutura é frequentemente submetida a um campo elétrico externo para ajustar suas propriedades eletrônicas enquanto é aplicada a dispositivos nanoeletrônicos. Para estudar a influência do E _ext na estrutura eletrônica, as estruturas de banda são calculadas com diferentes E _ext para as heteroestruturas blue-P / g-GaN. Conforme relatado em trabalho anterior, a estrutura geométrica da heteroestrutura pode ser negligenciada, mas a estrutura da banda muda muito sob diferentes E _ext [29]. A Figura 3a mostra a evolução do E _g em função do E _ext de - 1,0 eV / Å a 1,0 eV / Å. A direção de E _ext da parte superior (camada g-GaN) para a parte inferior (camada azul-P) é considerada a direção para frente. É claramente mostrado que as heteroestruturas monocamada-blue-P / g-GaN e bicamada-blue-P / g-GaN exibem uma modulação bandgap com o E _ext . Para monocamada-blue-P / g-GaN, no caso do dianteiro E _ext , o E _g aumenta linearmente com o aumento de E _ext ≤ 0,4 eV / Å (faixa de aumento L). A monocamada-blue-P / g-GaN obtém seu máximo E _g quando E _ext =0,5 eV / Å e mostra pouca mudança quando E _ext está no intervalo 0,4 < E _ext <0,6 eV / Å (faixa de saturação), o que aumenta os deslocamentos de banda de modo a promover a separação dos pares elétron-buraco. O alargamento inicial em E _g é atribuído ao contrapeso de E _ext em certa medida pelo campo elétrico embutido ( E _int ) O E _g chega a um intervalo de diminuição linear com o aumento de E _ext> 0,6 eV / Å (faixa de diminuição L). Assim, a heteroestrutura apresenta um comportamento metálico quando submetida a um campo elétrico mais forte. Isso é originado da quebra do dielétrico, bem como do tunelamento de carga. Em contraste, o E _g diminui linearmente com o aumento de E _ext (Intervalo de diminuição L) em um reverso E _ext , causada pelo deslocamento da borda da banda do mínimo da banda de condução (CBM) em direção ao máximo da banda de valência (VBM). No entanto, quando E _ext =- 0,7 eV / Å, o bandgap começa a diminuir drasticamente, o que pode ser devido ao colapso. Quando E _ext <- 0,8 eV / Å, a heterojunção blue-P / g-GaN experimenta uma transição de semicondutor para metal (faixa de metal). Esses resultados revelam que ambos E _g e a transição de semicondutor para metal da heteroestrutura blue-P / g-GaN é dependente de portas eletrostáticas, que podem ser usadas em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos de alto desempenho. Além disso, o efeito de E _ext no E _g entre as bicamadas de blue-P e g-GaN, a heteroestrutura é a mesma que a camada única, mas com um campo eletrônico menor para a transição de semicondutor para metal.

a E _g vs E _ext de heteroestruturas monocamada-blue-P / g-GaN e bicamada-blue-P / g-GaN. b - e As estruturas de banda da heteroestrutura monocamada-blue-P / g-GaN com E _ext de 0,3 eV / Å, 0,5 eV / Å, - 0,3 eV / Å e 0,7 eV / Å. O E _F é definido como 0 e indicado pela linha tracejada vermelha

Para explorar o efeito do campo elétrico na estrutura da banda, são calculadas as relações entre as estruturas da banda de energia e o campo elétrico externo. As estruturas de banda das heteroestruturas monocamada-blue-P / g-GaN com E _ext de 0,3 eV / Å, 0,5 eV / Å, - 0,3 eV / Å e 0,7 eV / Å são mostrados na Fig. 3b – e. Na Fig. 3b-c, sob 0,3 eV / Å e 0,5 eV / Å de E _ext , o E _g aumenta para 1,651 eV e 1,757 eV. Isso indica que o nível quase Fermi da monocamada g-GaN é deslocado para baixo, e o nível quase Fermi da monocamada blue-P é elevado para cima. No entanto, na Fig. 3d-e, para - 0,3 eV / Å e - 0,7 eV / Å de E _ext , o E _g diminuir para 0,888 eV e 0,49 eV. O nível quase Fermi de g-GaN se move para cima, e o nível quase Fermi de blue-P se move para baixo. Os resultados mostram que o bandgap varia linearmente com a vertical aplicada E _ext , indicando um efeito Stark gigante [30]. Ao aplicar um E vertical _ext , os estados de sub-banda de valência e valência de condução sofreriam uma mistura, levando a uma divisão induzida por campo dos níveis eletrônicos. A diferença de potencial eletrostático induzida pelo campo externo mudou consideravelmente as estruturas eletrônicas próximas ao nível de Fermi [31].

A Figura 4a-d mostra a isosuperfície de acumulação de carga (com cor em laranja) e depleção (verde claro), que exibe a mudança de densidade de carga da heterojunção azul-P / g-GaN com o E _ext valor de 0,3 eV / Å, 0,5 eV / Å, - 0,3 eV / Å, e - 0,7 eV / Å, respectivamente. Ao aplicar um encaminhamento E _ext , como mostrado na Fig. 4a-b, cargas positivas (buracos) tendem a se transferir da camada blue-P para a camada g-GaN, e cargas negativas (elétrons) se transferem da camada g-GaN para a camada blue-P. Ao mesmo tempo, pode-se ver que a quantidade de transferência de carga é maior que 0,3 eV / Å quando o campo elétrico é 0,5 eV / Å. Essencialmente, um campo elétrico externo positivo orienta a carga ao longo da direção do campo de tensão, restringindo a carga ao plano atômico, mas deixando a carga nesses planos, facilitando assim a transferência da carga de blue-P para g-GaN. Em contraste, o negativo E _ext induz os elétrons a se acumular / esgotar no lado oposto, conforme visualizado na Fig. 4c-d. Principalmente os campos elétricos externos negativos posicionam a carga de volta para o campo de tensão e, assim, transferem a carga do g-GaN para o blue-P. Consequentemente, o nível quase-Fermi da monocamada g-GaN e E _VBM subir, enquanto o nível quase-Fermi da monocamada azul-P e E _CBM diminuição, resultando em uma redução linear no bandgap. Simultaneamente, os elétrons são transferidos de blue-P para g-GaN sob um E reverso _ext . Verifica-se que a quantidade de carga transferida aumenta com o aumento da intensidade do campo elétrico.

a - d Isosuperfície de acumulação de carga e depleção da heteroestrutura monocamada-blueP / g-GaN sob E _ext de 0,3 eV / Å, 0,5 eV / Å, - 0,3 eV / Å, e -0,7 eV / Å, respectivamente. Isosuperfícies laranja e verde claro representam acúmulo de carga positiva e depleção de carga, respectivamente. e Densidade de elétrons média planar Δρ ( z ) em campo elétrico diferente para monocamada-azul-P / g-GaN

Para deixar claro que como E _ext modula a propriedade eletrônica, a diferença de densidade de carga integrada da heteroestrutura monocamada-blue-P / g-GaN em função da distância perpendicular é calculada, exibida na Fig. 4e. Os valores positivos na Fig. 4e indicam o acúmulo de carga e os valores negativos representam o esgotamento da carga. Para E _ext =0, a diferença de densidade de carga da heteroestrutura é obtida por ∆ρ =ρ _{heteroestrutura} −ρ _g-GaN −ρ _blue-P . A mudança da diferença de densidade de carga média no plano nas interfaces indica que os elétrons foram transferidos da camada g-GaN para a camada blue-P através da interface, enquanto os buracos permaneceram no lado g-GaN. A carga diferencial média da superfície com um campo elétrico é calculada para 0,3 eV / Å e - 0,3 eV / Å. O E _ext pode exercer influência na transferência de cargas na heteroestrutura. Pode ser descrito como [29]
$$ \ Delta \ rho {E} _ {\ mathrm {ext}} (z) =\ int {\ rho} _ {E _ {\ mathrm {ext}}} \ left (x, y, z \ right) dxdy - \ int {\ rho} _ {E_0} \ left (x, y, z \ right) dxdy $$
onde \ (\ int {\ rho} _ {E _ {\ mathrm {ext}}} \ left (x, y, z \ right) dxdy \ \ mathrm {e} \ int {\ rho} _ {E_0} \ left (x, y, z \ right) dxdy \) são a densidade de carga em ( x , y , z ) ponto na supercélula da heteroestrutura monocamada-BP / g-GaN com e sem E _ext , respectivamente. A direção da transferência de carga induzida pelo negativo (linha azul) E _ext é o oposto do positivo (linha vermelha) E _ext . A densidade de carga integrada ilustra quantitativamente que a quantidade de cargas transferidas aumenta com a força do E _ext . O valor das transferências de cargas para a heteroestrutura blue-P / g-GaN com 0,3 eV / Å de E _ext é maior do que 0 eV / Å e - 0,3 eV / Å, porque o campo elétrico externo positivo localiza as cargas ao longo da direção do campo aplicado, confinando as cargas aos planos g-GaN.

A fim de distinguir as contribuições de blue-P e g-GaN na estrutura de banda, a densidade de estado projetada das heteroestruturas é calculada e mostrada na Fig. 5a. Pode-se ver que a contribuição do VBM vem principalmente do g-GaN, e a contribuição do arrastamento é principalmente do blue-P. A Figura 5b exibe a isosuperfície de acumulação de carga e depleção da monocamada-blue-P / g-GaN e bicamada-blue-P / g-GaN sob 0,5 eV / Å e 0,7 eV / Å de campo externo, respectivamente. Devido ao colapso dielétrico da bicamada-blue-P / g-GaN no campo externo de 0,7 eV / Å, a corrente relacionada à transferência de carga teria saturado sob o campo externo crescente, o que está de acordo com o da Fig. 3a.

a TDOS da heteroestrutura de bicamada-blue-P / g-GaN. PDOS de P, Ga e N na heteroestrutura. b Isosuperfície de acumulação de carga e depleção da heteroestrutura de monocamada-blue-P / g-GaN sob E _ext de 0,3 eV / Å, 0,5 eV / Å, - 0,3 eV / Å, e - 0,7 eV / Å, respectivamente

Conclusão

Em resumo, as propriedades estruturais e eletrônicas das heteroestruturas de monocamada-blue-P / g-GaN e bicamada-blue-P / g-GaN vdW são investigadas usando cálculos de primeiro princípio. Os resultados mostram que a heteroestrutura monocamada-blue-P / g-GaN é um semicondutor de band gap indireto com alinhamento intrínseco de bandas do tipo II. O deslocamento da banda e E _g de monocamada-blue-P / g-GaN e bicamada-blue-P / g-GaN pode ser continuamente ajustado por E _ext , e a relação entre E _g e E _ext indica um efeito Stark. O E _g torna-se zero em - 0,8 e 0,9 eV / Å para monocamada-blue-P / g-GaN, e - 0,5 e 0,7 eV / Å para bicamada-blue-P / g-GaN, indicando uma transição de semicondutor para metal.

Abreviações

2D:: Bidimensional
Blue-P:: Fosforeno Azul
BP:: Fosforeno preto
CASTEP:: Cambridge Serial Total Energy Package
CBM:: Banda de condução mínima
DFT:: Teoria da densidade funcional
GGA:: Aproximação de gradiente generalizado
G-GaN:: GaN semelhante ao grafeno
MEEG:: Crescimento encapsulado aprimorado pela migração
PAW:: Onda aumentada do projetor
PBE:: Perdew-Burke-Ernzerhof
TMDs:: Dichalcogenetos de metais de transição
VBM:: Banda de valência máxima
vdW:: van der Waals

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