Ajuste de las propiedades electrónicas de las heteroestructuras de GaN van der Waals de tipo fosforeno azul / grafeno mediante un campo eléctrico externo vertical

Resumen

Las propiedades estructurales y electrónicas de heteroestructuras de GaN van der Waals de tipo monocapa y bicapa azul fosforeno / grafeno similar se estudian utilizando cálculos de primer principio. Los resultados muestran que la heteroestructura de GaN de tipo monocapa-azul fosforeno / grafeno es un semiconductor de banda prohibida indirecta con alineación de banda intrínseca de tipo II. Más importante aún, el campo eléctrico externo sintoniza la banda prohibida de GaN monocapa-azul fosforeno / tipo grafeno y GaN bicapa-azul fosforeno / grafeno similar, y la relación entre banda prohibida y campo eléctrico externo indica un efecto Stark. La transición de semiconductor a metal se observa en presencia de un fuerte campo eléctrico.

Introducción

Los materiales bidimensionales (2D) como el grafeno [1], los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) [2], el fosforeno negro (BP) [3] y el GaN similar al grafeno (g-GaN) [4] han estado en el Spotlight, debido a sus fascinantes propiedades físicas y posibles aplicaciones en dispositivos. Como área de investigación de rápido surgimiento, la forma en que las heteroestructuras se ensamblan a partir de los átomos aislados sigue siendo un campo de investigación emocionante. Se considera una forma novedosa de construir dispositivos, que integra las propiedades de cada componente aislado con propiedades ideales aplicadas en nanoelectrónica [5, 6]. Debido a la interacción de las capas atómicas [7], estas heteroestructuras poseen propiedades sobresalientes en comparación con los materiales 2D puros, y sus propiedades se conservan sin degradación cuando se unen capa por capa. Hasta la fecha, se han realizado muchos esfuerzos para obtener heteroestructuras de van der Waals (vdW). Vale la pena señalar que las heteroestructuras de vdW basadas en fosforeno azul (azul-P), como blue-P / TMDs [8,9,10] y blue-P / graphene [11], han atraído cada vez más atención debido a sus excelentes propiedades electrónicas y características ópticas.

Entre los materiales semiconductores 2D mencionados anteriormente, la monocapa azul-P se preparó mediante crecimiento epitaxial en sustratos de Au (111) por primera vez en 2016 [7]. Z. Zhang y col. Alabama. predijo el crecimiento epitaxial de monocapas de blue-P en sustratos de GaN (001) y propuso un mecanismo de crecimiento de "media capa" no convencional. También se señala que el azul-P es más estable en la superficie de GaN (001) debido a la afinidad química entre el fósforo y el galio y la buena correspondencia de la red [12]. Blue-P, que consiste en una capa única de átomos de fósforo ondulada verticalmente, atrae un intenso interés en la investigación debido a sus magníficas propiedades, como bandgap considerable y alta movilidad [13, 14]. Además, g-GaN, como un nuevo material 2D, se puede sintetizar experimentalmente mediante una técnica de crecimiento encapsulado mejorado por migración (MEEG) [15]. La simulación teórica ha demostrado que g-GaN es un semiconductor con una banda prohibida indirecta, que puede ser manipulado de manera eficiente por un campo eléctrico externo [16]. Como otros materiales 2D, g-GaN también se puede hidrogenar y halogenar convenientemente. Todos estos estudios han demostrado que g-GaN es un semiconductor 2D alternativo para aplicaciones en muchos campos importantes en el futuro. El parámetro de celosía de g-GaN podría coincidir bien con blue-P, lo que indica que blue-P / g-GaN es un sistema de material ideal para la construcción de heteroestructuras, así como una excelente capa de inserción para ajustar sus propiedades electrónicas al la interacción entre capas. En este sentido, es importante investigar las propiedades electrónicas y ópticas de las heteroestructuras blue-P / g-GaN vdW. Sin embargo, se han realizado pocas investigaciones para estudiar las propiedades de las heteroestructuras blue-P / g-GaN vdW [17, 18].

En este trabajo, las propiedades estructurales electrónicas y la tendencia a la variación de la energía bandgap ( E _g ) con el campo eléctrico externo vertical ( E _ext ) en las heteroestructuras blue-P / g-GaN vdW se evalúan y realizan utilizando los cálculos de los primeros principios con la función de correlación de intercambio corregida por vdW.

Métodos computacionales

Las estructuras de bandas y las propiedades eléctricas de las heteroestructuras monocapa y bicapa blue-P / g-GaN vdW se han investigado utilizando el Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP) [19], que se basa en la teoría funcional de la densidad (DFT) [20 , 21] en una base de onda plana establecida con el potencial del método de onda aumentada del proyector (PAW) [22, 23]. Se adopta la aproximación de gradiente generalizada (GGA) con la función Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [24] para describir la energía de correlación de intercambio de electrones. Dado que la aproximación GGA-PAW generalmente subestima la E _g de semiconductores, se lleva a cabo la hibridación funcional HSE06 para corregirlos. El efecto de la interacción vdW [25] se describe mediante el método DFT-D2 de Grimme. Aquí, se estableció una energía de corte de 500 eV para la base de la onda plana para garantizar la convergencia de la energía total. Un espesor de vacío de 20 Å a lo largo de la Z Se agrega la dirección de las heteroestructuras azul-P / g-GaN para eliminar la interacción con las imágenes de réplica falsas. Las posiciones atómicas se optimizan hasta que la tolerancia de convergencia de la fuerza en cada átomo es menor que 0,001 eV / Å. La primera integración de la zona de Brillouin es utilizada por una cuadrícula fina de 7 × 7 × 1 para la optimización de la estructura y 21 × 21 × 1 para el cálculo del estado electrónico.

Resultados y discusión

Varias estructuras mostradas en nuestro trabajo anterior se han estudiado como un punto de referencia para obtener la estructura más estable de las heteroestructuras bicapa [18]. Las constantes de celosía optimizadas son 3,25 Å y 3,20 Å para bicapa-azul-P y g-GaN, respectivamente, cuyos valores están de acuerdo con los estudios publicados [9, 26]. El desajuste de la red es aproximadamente del 2% solamente [18]. Para obtener la configuración de energía mínima y evaluar la estabilidad térmica de las estructuras, la capa azul-P se mueve en relación con la capa de g-GaN y la configuración de energía más baja se encuentra por cantidades finitas δ _{x / y} . La evolución de la diferencia de energía total en función de δ _x y δ _y se muestra en nuestros estudios anteriores [18]. La Figura 1a muestra las estructuras atómicas de la vista lateral y superior de bicapa-azul-P en g-GaN. El modo de apilamiento óptimo de las bicapas blue-P es coherente con el artículo anterior [27]. La Figura 1b demuestra la relación entre la energía de enlace ( E _b ) en la interfaz y la distancia entre capas de blue-P y g-GaN ( d _{blue-P / g-GaN} ). Su definición se ha descrito en detalle en nuestros estudios anteriores [18]. El E _b es de aproximadamente 49 meV para el azul-P de una sola capa con una distancia de equilibrio de 3,57 Å. Para la bicapa, la energía de enlace es casi la misma que la de la capa única, mientras que la distancia de equilibrio es 3,52 Å. Esas energías de enlace tienen el mismo orden de magnitud que otros cristales de vdW, como BP / grafeno [ E _b =60 meV] [11], azul-P / grafeno [ E _b =70 meV] [6] y bicapa azul-P [ E _b =25 meV] [27].

un Vista lateral y superior de bicapa blue-P en g-GaN. b Energía de unión en función de la distancia d _{blue-P / g-GaN} para el sistema monocapa y bicapa. El recuadro muestra el zoom cerca del mínimo de la energía de enlace

La Figura 2a-b muestra las estructuras de bandas de la heteroestructura monocapa-azul-P / g-GaN y la heteroestructura bicapa-azul-P / g-GaN, con E _g de 1,26 eV y 1,075 eV calculados utilizando GGA, respectivamente. Para el método HSE06, el E _g es de 2,2 eV y 1,91 eV, respectivamente. Para ambas heteroestructuras, los estados de energía mínima en la banda de conducción están cerca del punto M y los estados de energía máxima en la banda de valencia están en el punto K, los dos puntos no están en el mismo momento cristalino en la zona de Brillouin. Por tanto, la banda prohibida es una banda prohibida indirecta para ambas heteroestructuras de semiconductores. El E _g de heteroestructura monocapa-azul-P / g-GaN disminuye 0,63 eV en comparación con la monocapa-azul-P (1,89 eV), mientras que la E _g de bicapa-azul-P (1,118 eV) se contrae 0,043 eV en contraste con la heteroestructura bicapa-azul-P / g-GaN. La flexión de la banda se puede lograr a partir de la diferencia entre los niveles de Fermi del blue-P con el sistema g-GaN y el blue-P autónomo [28]:Δ E _F = W - W _P , donde W es la función de trabajo del sistema compuesto (blue-P / g-GaN), y W _P es la función de trabajo del prístino blue-P. El Δ E _F de - 1,17 eV y - 0,81 eV para las heterouniones monocapa-azul-P / g-GaN y las heterouniones bicapa-azul-P / g-GaN se obtienen respectivamente, como se muestra en la Fig. 2c, d. Como se puede ver, el tipo de alineación de la banda de energía es la brecha escalonada (tipo II) en las interfaces para todas las heteroestructuras monocapa-azul-P / g-GaN y las heteroestructuras bicapa-azul-P / g-GaN.

Estructuras de bandas de a heteroestructura monocapa-azul-P / g-GaN, y b heteroestructura bicapa-azul-P / g-GaN, respectivamente; alineaciones de bandas y funciones de trabajo relacionadas con c heteroestructura monocapa-azul-P / g-GaN y d heteroestructura bicapa-azul-P / g-GaN

La heteroestructura a menudo se somete a un campo eléctrico externo para ajustar sus propiedades electrónicas mientras se aplica a dispositivos nanoelectrónicos. Para estudiar la influencia de la E _ext en la estructura electrónica, las estructuras de banda se calculan con diferentes E _ext para las heteroestructuras azul-P / g-GaN. Como se informó en un trabajo anterior, la estructura geométrica de la heteroestructura puede despreciarse, pero la estructura de la banda cambia mucho bajo diferentes E _ext [29]. La figura 3a muestra la evolución de la E _g en función de la E _ext de - 1.0 eV / Å a 1.0 eV / Å. La dirección de E _ext de arriba (capa g-GaN) a abajo (capa azul-P) se toma como la dirección hacia adelante. Se muestra claramente que las heteroestructuras monocapa-azul-P / g-GaN y bicapa-azul-P / g-GaN exhiben una modulación de banda prohibida con la E _ext . Para monocapa-blue-P / g-GaN, en el caso del delantero E _ext , el E _g aumenta linealmente con el aumento de E _ext ≤ 0,4 eV / Å (rango de aumento L). La monocapa-azul-P / g-GaN obtiene su máxima E _g cuando E _ext =0.5 eV / Å y muestra pocos cambios cuando E _ext está en el rango 0,4 < E _ext <0,6 eV / Å (rango de saturación), que mejora las compensaciones de banda para promover la separación de pares de electrones y huecos. La ampliación inicial en E _g se atribuye al contrapeso de E _ext hasta cierto punto por el campo eléctrico incorporado ( E _int ). El E _g llega a un rango de disminución lineal al aumentar E _ext> 0,6 eV / Å (rango de disminución L). Así, la heteroestructura muestra un comportamiento metálico cuando se somete a un campo eléctrico más fuerte. Esto se origina a partir de la ruptura dieléctrica y del túnel de carga. En contraste, el E _g disminuye linealmente con el aumento de E _ext (Rango de disminución L) bajo una E inversa _ext , causado por el desplazamiento del borde de la banda mínima de la banda de conducción (CBM) hacia el máximo de la banda de valencia (VBM). Sin embargo, cuando E _ext =- 0,7 eV / Å, la banda prohibida comienza a disminuir bruscamente, lo que puede deberse a la ruptura. Cuando E _ext <- 0.8 eV / Å, la heterounión azul-P / g-GaN experimenta una transición de semiconductor a metal (rango de metal). Estos resultados revelan que tanto E _g y la transición de semiconductor a metal de la heteroestructura azul-P / g-GaN depende de la compuerta electrostática, que podría usarse en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos de alto rendimiento. Además, el efecto de E _ext en el E _g entre las bicapas de blue-P y g-GaN, la heteroestructura es la misma que la de una sola capa pero con un campo electrónico más pequeño para la transición de semiconductor a metal.

un E _g frente a E _ext de heteroestructuras monocapa-azul-P / g-GaN y bicapa-azul-P / g-GaN. b - e Las estructuras de bandas de la heteroestructura monocapa-azul-P / g-GaN con E _ext de 0,3 eV / Å, 0,5 eV / Å, - 0,3 eV / Å y 0,7 eV / Å. El E _F se establece en 0 y se indica mediante la línea discontinua roja

Para explorar el efecto del campo eléctrico en la estructura de la banda, se calcula la relación entre las estructuras de la banda de energía y el campo eléctrico externo. Las estructuras de bandas de las heteroestructuras monocapa-azul-P / g-GaN con E _ext de 0,3 eV / Å, 0,5 eV / Å, - 0,3 eV / Å y 0,7 eV / Å se muestran en la Fig. 3b-e. En la Fig. 3b-c, debajo de 0.3 eV / Å y 0.5 eV / Å de E _ext , el E _g aumenta a 1,651 eV y 1,757 eV. Esto indica que el nivel de cuasi-Fermi de la monocapa de g-GaN se desplaza hacia abajo y el nivel de cuasi-Fermi de la monocapa azul-P se eleva hacia arriba. Sin embargo, en la Fig. 3d-e, para - 0.3 eV / Å y - 0.7 eV / Å de E _ext , el E _g disminuir a 0,888 eV y 0,49 eV. El nivel cuasi-Fermi de g-GaN se mueve hacia arriba y el nivel cuasi-Fermi de blue-P se mueve hacia abajo. Los resultados muestran que la banda prohibida varía linealmente con la vertical E aplicada _ext , lo que indica un efecto Stark gigante [30]. Al aplicar una E vertical _ext , los estados de subbanda de la valencia y la valencia de conducción sufrirían una mezcla, lo que conduciría a una división inducida por el campo de los niveles electrónicos. La diferencia de potencial electrostático inducida por el campo externo cambió considerablemente las estructuras electrónicas cerca del nivel de Fermi [31].

La Figura 4a-d muestra la isosuperficie de acumulación de carga (con color naranja) y agotamiento (verde claro), que muestra el cambio de densidad de carga de la heterounión azul-P / g-GaN con la E _ext valor de 0,3 eV / Å, 0,5 eV / Å, - 0,3 eV / Å y - 0,7 eV / Å, respectivamente. Al aplicar una E directa _ext , como se muestra en la Fig. 4a-b, las cargas positivas (huecos) tienden a transferirse de la capa azul-P a la capa g-GaN, y las cargas negativas (electrones) se transfieren desde la capa g-GaN a la capa azul-P. Al mismo tiempo, al mismo tiempo, se puede ver que la cantidad de transferencia de carga es más de 0,3 eV / Å cuando el campo eléctrico es de 0,5 eV / Å. Esencialmente, un campo eléctrico externo positivo orienta la carga a lo largo de la dirección del campo de tensión, restringiendo la carga al plano atómico, pero dejando la carga en estos planos, lo que facilita la transferencia de la carga de blue-P a g-GaN. Por el contrario, la E negativa _ext induce la acumulación / agotamiento de electrones en el lado opuesto, como se visualiza en la Fig. 4c-d. Los campos eléctricos externos principalmente negativos colocan la carga de nuevo hacia el campo de estrés y, por lo tanto, transfieren la carga de g-GaN a blue-P. En consecuencia, el nivel cuasi-Fermi de monocapa de g-GaN y E _VBM aumenta, mientras que el nivel cuasi-Fermi de monocapa azul-P y E _CBM disminuir, lo que resulta en una reducción lineal de la banda prohibida. Simultáneamente, los electrones se transfieren de blue-P a g-GaN bajo una E inversa. _ext . Se encuentra que la cantidad de carga transferida aumenta con el aumento de la intensidad del campo eléctrico.

un - d Isosuperficie de acumulación de carga y agotamiento de heteroestructura monocapa-blueP / g-GaN bajo E _ext de 0,3 eV / Å, 0,5 eV / Å, - 0,3 eV / Å y - 0,7 eV / Å, respectivamente. Las isosuperficies naranja y verde claro representan la acumulación de carga positiva y el agotamiento de la carga, respectivamente. e Densidad de electrones promediada en plano Δρ ( z ) en un campo eléctrico diferente para monocapa-azul-P / g-GaN

Para dejar en claro que cómo E _ext modula la propiedad electrónica, se calcula la diferencia de densidad de carga integrada de la heteroestructura monocapa-azul-P / g-GaN en función de la distancia perpendicular, que se muestra en la Fig. 4e. Los valores positivos en la Fig. 4e indican acumulación de carga y los valores negativos representan agotamiento de carga. Para E _ext =0, la diferencia de densidad de carga de la heteroestructura se obtiene mediante ∆ρ =ρ _{heteroestructura} −ρ _g-GaN −ρ _azul-P . El cambio de la diferencia de densidad de carga promedio plano en las interfaces indica que los electrones se transfirieron de la capa g-GaN a la capa azul-P a través de la interfaz, mientras que los huecos permanecieron en el lado g-GaN. La carga diferencial promediada de la superficie con un campo eléctrico se calcula para 0.3 eV / Å y - 0.3 eV / Å. El E _ext puede ejercer influencia sobre la transferencia de cargas en la heteroestructura. Puede describirse como [29]

$$ \ Delta \ rho {E} _ {\ mathrm {ext}} (z) =\ int {\ rho} _ {E _ {\ mathrm {ext}}} \ left (x, y, z \ right) dxdy - \ int {\ rho} _ {E_0} \ left (x, y, z \ right) dxdy $$

donde \ (\ int {\ rho} _ {E _ {\ mathrm {ext}}} \ left (x, y, z \ right) dxdy \ \ mathrm {y} \ int {\ rho} _ {E_0} \ left (x, y, z \ right) dxdy \) son la densidad de carga en ( x , años , z ) punto en la supercélula de la heteroestructura monocapa-BP / g-GaN con y sin E _ext , respectivamente. La dirección de la transferencia de carga inducida por el negativo (línea azul) E _ext es opuesto al de la positiva (línea roja) E _ext . La densidad de carga integrada ilustra cuantitativamente que la cantidad de cargas transferidas aumenta con la fuerza del E _ext . El valor de las transferencias de cargos para la heteroestructura azul-P / g-GaN con 0,3 eV / Å de E _ext es más grande que el de 0 eV / Å y - 0.3 eV / Å, porque el campo eléctrico externo positivo localiza las cargas a lo largo de la dirección del campo aplicado, confinando las cargas a los planos g-GaN.

Para distinguir las contribuciones de blue-P y g-GaN en la estructura de bandas, la densidad de estado proyectada de las heteroestructuras se calcula y se muestra en la Fig. 5a. Puede verse que la contribución de VBM proviene principalmente del g-GaN, y la contribución de arrastre es principalmente del azul-P. La Figura 5b muestra la isosuperficie de la acumulación de carga y el agotamiento del campo externo monocapa-azul-P / g-GaN y bicapa-azul-P / g-GaN por debajo de 0,5 eV / Å y 0,7 eV / Å, respectivamente. Debido a la ruptura dieléctrica del campo externo bicapa-azul-P / g-GaN a 0.7 eV / Å, la corriente relatada, la transferencia de carga se habría saturado bajo el campo externo creciente, que está de acuerdo con el de la Fig. 3a.

un TDOS de heteroestructura bicapa-azul-P / g-GaN. PDOS de P, Ga y N en heteroestructura. b Isosuperficie de acumulación de carga y agotamiento de heteroestructura monocapa-azul-P / g-GaN bajo E _ext de 0,3 eV / Å, 0,5 eV / Å, - 0,3 eV / Å y - 0,7 eV / Å, respectivamente

Conclusión

En resumen, las propiedades estructurales y electrónicas de las heteroestructuras monocapa-azul-P / g-GaN y bicapa-azul-P / g-GaN vdW se investigan utilizando cálculos del primer principio. Los resultados muestran que la heteroestructura monocapa-azul-P / g-GaN es un semiconductor de banda prohibida indirecta con alineación de banda intrínseca de tipo II. El desplazamiento de banda y E _g de monocapa-azul-P / g-GaN y bicapa-azul-P / g-GaN se pueden sintonizar continuamente con E _ext , y la relación entre E _g y E _ext indica un efecto Stark. El E _g se vuelve cero a - 0.8 y 0.9 eV / Å para monocapa-azul-P / g-GaN, y - 0.5 y 0.7 eV / Å para bicapa-azul-P / g-GaN, lo que indica una transición de semiconductor a metal.

Abreviaturas

2D:: Bidimensional
Blue-P:: Fosforeno azul
BP:: Fosforeno negro
CASTEP:: Paquete Cambridge Serial Total Energy
CBM:: Banda de conducción mínima
DFT:: Teoría funcional de la densidad
GGA:: Aproximación de gradiente generalizada
G-GaN:: GaN similar al grafeno
MEEG:: Crecimiento encapsulado mejorado por migración
PAW:: Proyector de onda aumentada
PBE:: Perdew-Burke-Ernzerhof
TMD:: Dicalcogenuros de metales de transición
VBM:: Máximo de banda de valencia
vdW:: van der Waals

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