Monocapa de g-GaN adsorbido por metales alcalinos:funciones de trabajo ultrabajo y propiedades ópticas

Resumen

Las propiedades electrónicas y ópticas del nitruro de galio similar al grafeno adsorbido por metales alcalinos (g-GaN) se han investigado utilizando la teoría funcional de la densidad. Los resultados indican que los sistemas de g-GaN adsorbidos por metales alcalinos son compuestos estables, siendo el sitio de adsorción más estable el centro del anillo hexagonal. Además, debido a la transferencia de carga desde el átomo de metal alcalino al anfitrión, la capa de g-GaN muestra un claro comportamiento de dopaje de tipo n. La adsorción de átomos de metales alcalinos en g-GaN se produce mediante quimisorción. Más importante aún, la función de trabajo de g-GaN se reduce sustancialmente después de la adsorción de átomos de metales alcalinos. Específicamente, el sistema g-GaN adsorbido en Cs muestra una función de trabajo ultrabajo de 0.84 eV, que tiene una gran aplicación potencial en dispositivos de emisión de campo. Además, la adsorción de metales alcalinos puede conducir a un aumento de la constante dieléctrica estática y extender el espectro de absorción de g-GaN.

Antecedentes

En comparación con los materiales semiconductores tradicionales, el GaN tridimensional es un material semiconductor con banda prohibida amplia [1]. Como tal, puede permitir el funcionamiento del equipo a voltaje, frecuencia o temperatura ultra altos y exhibe una alta eficiencia luminosa, buena conductividad térmica, resistencia a altas temperaturas, resistencia a ácidos y álcalis y propiedades antirradiación. Como material optoelectrónico, el GaN tridimensional tiene aplicaciones potenciales en la impresión láser y los discos compactos de alta densidad de almacenamiento, lo que podría influir mucho en la tecnología de almacenamiento informático [2]. En los últimos años, los materiales bidimensionales (2D) han recibido una gran atención debido a sus fascinantes propiedades ópticas, mecánicas, electrónicas y magnéticas y su potencial para aplicaciones multifuncionales [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]. Los materiales 2D son mucho más delgados que los materiales a granel, y las propiedades mecánicas, electrónicas, térmicas y ópticas de dichos materiales difieren sustancialmente de las de sus contrapartes a granel [10]. Específicamente, 2D GaN es un material de banda ancha con un rendimiento optoelectrónico mejorado. Muy recientemente, se sintetizó mediante una técnica de crecimiento encapsulado mejorada por migración [11].

Estudiar y comprender la interacción entre átomos en superficies sólidas es uno de los problemas científicos básicos en el campo de la física de superficies. Por lo tanto, controlar estas estructuras de autoensamblaje es importante para el desarrollo de nanodispositivos. Los átomos adsorbidos en una superficie sólida pueden interactuar indirectamente a través de la dispersión de electrones o la distorsión elástica del sustrato, y la interacción atómica de largo alcance modulada por el sustrato juega un papel importante en el autoensamblaje atómico. Debido a que los átomos de metales alcalinos pueden perder electrones fácilmente, la adsorción de metales alcalinos en materiales semiconductores puede cambiarlos al tipo n, lo que a su vez reducirá su función de trabajo y cambiará sus propiedades optoelectrónicas [12]. En los últimos años, muchos grupos de investigación han publicado estudios sobre las propiedades optoelectrónicas de los materiales 2D adsorbidos por metales alcalinos [13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]. Por ejemplo, Chan et al. [13] investigó la adsorción de átomos de metales alcalinos en el grafeno y descubrió la reducción de la función de trabajo del grafeno. Jin y col. [14] y Qiao et al. [15] investigó la adsorción de metales alcalinos en grafeno utilizando el método de los primeros principios y encontró que las propiedades optoelectrónicas del grafeno se modifican por la adsorción de metales alcalinos. Muchos trabajos anteriores investigaron que las propiedades electrónicas y magnéticas de las adsorciones de adatom en el fosforeno negro y azul, que encontraron que las adsorciones superficiales funcionalizan eficazmente el sistema de fosforeno con características espintrónicas versátiles [16, 17, 18]. Sin embargo, las propiedades fotoeléctricas completas del g-GaN adsorbido por metales alcalinos aún no están claras.

En este artículo, se elaboran las estructuras de bandas, la densidad de estados, las funciones de trabajo y las propiedades ópticas del g-GaN prístino y del g-GaN adsorbido por metales alcalinos; esta investigación es potencialmente importante para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos y de emisión de campo basados en g-GaN.

Métodos

Todos los cálculos se realizan utilizando el Paquete de Simulación Ab initio de Viena basado en principios básicos con teoría funcional de densidad [24]. Se adoptó la aproximación de gradiente generalizada (GGA) en la forma de la función Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [25] para describir la interacción intercambio-correlación. Se ha indicado que el método GGA-PBE es muy eficaz para la investigación de superficies [26,27,28,29]. La energía de corte cinética para el conjunto base de onda plana es 500 eV. En la dirección perpendicular del plano g-GaN, el espacio de vacío se estableció en 20 Å. La zona de Brillouin fue descrita por un conjunto de k -puntos en una cuadrícula de 9 × 9 × 1 utilizando el esquema centrado en Γ. Todos los átomos están completamente relajados hasta que las fuerzas Hellmann-Feynman fueron inferiores a 10 ^{- 4} eV / Å y los cambios de energía total se convirtieron en menos de 10 ^{- 4} eV [29].

La energía de adsorción para los sistemas de g-GaN adsorbidos por metales alcalinos se calculó utilizando el método de Cui et al. [12] Según la siguiente ecuación:

$$ {E} _ {ads} ={E} _ {g- GaN \ \ mathrm {X}} - {E} _ {g- GaN} - {\ mu} _X, $$ (1)

donde E _anuncios es la energía de adsorción, E _g-GaN y E _g-GaN:X denotan la energía total de g-GaN prístino antes y después de la adsorción de metales alcalinos, respectivamente, y μ _X es el potencial químico de un solo átomo de metal alcalino. Según esta ecuación, un valor negativo de E _anuncios denota una estructura estable.

La diferencia de densidad de carga se describe como

$$ \ varDelta \ rho ={\ rho} _T - {\ rho} _g - {\ rho} _x, $$ (2)

donde ρ _T , ρ _g y ρ _x son la carga total del g-GaN adsorbido por metales alcalinos, el g-GaN prístino y el átomo de adsorción, respectivamente.

Resultados y discusiones

La Figura 1 muestra el modelo de g-GaN para cuatro sitios de adsorción diferentes; el T _N el sitio está directamente encima del átomo de N, el T _Ga el sitio está directamente encima del átomo de Ga, el T _B el sitio está por encima de la mitad del enlace N-Ga, y el T _M el sitio está por encima del centro de un hexágono. El E calculado _anuncios de g-GaN adsorbido por metales alcalinos se muestra en la Tabla 1. Todos los E _anuncios de diferentes sitios son negativos, lo que demuestra que el procedimiento de adsorción de metales alcalinos sobre g-GaN es exotérmico y todos los sistemas de adsorción son estables. Estos resultados son similares a los obtenidos para los nanocables de GaN adsorbidos por metales alcalinos [12]. Además, los resultados calculados indican que la posición más estable es la T _M sitio; por lo tanto, las siguientes discusiones solo se refieren a la T _M sitio de adsorción.

Modelo de g-GaN con diferentes sitios de adsorción

Los parámetros de la red de g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos se muestran en la Tabla 2. Los parámetros de la red de g-GaN prístino son 3,254 Å, que concuerdan con los resultados anteriores [30,31,32,33]. Además, los parámetros de la red de g-GaN adsorbidos con Li- o Na son un poco más pequeños que los del g-GaN prístino, mientras que los g-GaN adsorbidos con K-, Rb y Cs son más grandes que los del g-GaN prístino . Curiosamente, a medida que aumenta el número atómico de átomos de metales alcalinos, aumentan los parámetros de la red de g-GaN adsorbido por metales alcalinos. Las longitudes de enlace de N-X o Ga-X se muestran en la Tabla 2. Las longitudes de enlace de N-X o Ga-X aumentan con el aumento del número atómico de átomos de metal alcalino. La altura de adsorción del g-GaN adsorbido por metales alcalinos se muestra en la Tabla 2, que indica que la altura de adsorción aumenta con el aumento del número atómico de átomos de metales alcalinos.

Las estructuras de bandas de g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos se muestran en la Fig. 2. La Figura 2a muestra claramente que la estructura de bandas de g-GaN prístino exhibe un carácter semiconductor, con una banda prohibida de 2,1 eV. Este resultado está muy de acuerdo con los informes anteriores [30,31,32,33]. Sin embargo, las estructuras de bandas para g-GaN adsorbido por metales alcalinos muestran que los niveles de Fermi han entrado en la banda de conducción, como se muestra en la figura 2b-f; por tanto, el sistema de g-GaN adsorbido por metales alcalinos presenta un carácter metalizado, con una brecha que aparece a aproximadamente -1,8 eV por debajo del nivel de Fermi, y la brecha de g-GaN adsorbida por metales alcalinos es de aproximadamente 1,92 eV. Además, el g-GaN se transforma en un semiconductor de tipo n después de la adsorción de los metales alcalinos debido a la tendencia de los metales alcalinos a perder electrones, lo que resulta en un cambio hacia arriba del nivel de Fermi dentro de la banda de conducción.

Estructuras de bandas para g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos: a g-GaN prístino, b G-GaN adsorbido por litio, c G-GaN adsorbido por Na, d G-GaN adsorbido en K, e G-GaN adsorbido por Rb y f G-GaN adsorbido en Cs. El nivel de Fermi se indica con líneas discontinuas verdes

La densidad total de estados (TDOS) y la densidad parcial de estados (PDOS) de g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos se muestran en la Fig. 3. En la Fig. 3a, el TDOS de g-GaN prístino demuestra que es un semiconductor, consistente con el resultado de la estructura de la banda. Los cálculos de PDOS muestran que el máximo de la banda de valencia para el g-GaN prístino se origina en los orbitales N-2p y Ga-4p, de acuerdo con los resultados anteriores [34, 35]. Para comprender los estados de los electrones cerca del nivel de Fermi, calculamos el PDOS de g-GaN adsorbido por metales alcalinos. Como puede verse en la Fig. 3b-f, los estados de electrones cercanos al nivel de Fermi están gobernados principalmente por los orbitales Ga-4s, N-2p y 2s de los metales alcalinos.

Densidad de estados para g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos: a g-GaN prístino, b G-GaN adsorbido por litio, c G-GaN adsorbido por Na, d G-GaN adsorbido en K, e G-GaN adsorbido por Rb y f G-GaN adsorbido en Cs

La transferencia de carga es un aspecto importante del sistema de adsorción. La diferencia de densidad de carga con un valor de isosuperficie de 0,002 e / Å ³ para g-GaN adsorbido por metales alcalinos se muestra en la Fig. 4. Curiosamente, las distribuciones de electrones se encuentran entre todos los átomos de metales alcalinos y los tres átomos de N subcoordinados. Por lo tanto, el g-GaN adsorbido por metales alcalinos se forma por quimisorción. Además, la gran región cian localizada en el átomo de metal alcalino sugiere una gran transferencia del átomo de metal alcalino a g-GaN. El análisis de carga de Bader muestra que hay aproximadamente 0,8833 | e |, 0,7803 | e |, 0,7997 | e |, 0,7905 | e |, 0,7936 | e | transferencia de Li, Na, K, Rb, Cs a g-GaN. Por lo tanto, todos los resultados anteriores confirmaron la imagen de que las interacciones en el g-GaN adsorbido por metales alcalinos son enlaces iónicos.

La diferencia de densidad de carga para g-GaN adsorbido por metales alcalinos. un g-GaN / Li, b g-GaN / Na, c g-GaN / K, d g-GaN / Rb, e g-GaN / Cs. Las regiones magenta y cian denotan la ganancia y pérdida de electrones, respectivamente. El valor de la isosuperficie se establece en 0,002 e / Å ³

La función de trabajo es un factor crítico para equilibrar las propiedades optoelectrónicas de los materiales. La función de trabajo de los materiales es igual al nivel de vacío deducido del nivel de Fermi. Para revelar una factibilidad intrigante, estudiamos el ajuste de la función de trabajo de g-GaN por adsorción de metales alcalinos. La Figura 5 muestra el esquema de la función de trabajo de g-GaN prístino y g-GaN adsorbido por metales alcalinos. La función de trabajo del g-GaN prístino es de 4,21 eV, que es ligeramente mayor que la de los nanocables de GaN [12]. Las funciones de trabajo son 2,47, 1,88, 1,49, 1,29 y 0,84 eV para g-GaN adsorbido por Li-, Na-, K-, Rb- y Cs, respectivamente; por tanto, la función de trabajo de g-GaN se reduce sustancialmente tras la adsorción de un adatomo de metal alcalino. Además, las funciones de trabajo del g-GaN adsorbido por metales alcalinos son menores que las de los nanocables de GaN adsorbidos por metales alcalinos [12]. La razón principal puede deberse a la diferencia de estructura entre la monocapa de GaN y los nanocables. Además, la función de trabajo disminuida demuestra que el g-GaN adsorbido por metales alcalinos se puede utilizar para dispositivos de emisión de campo.

El esquema de la función de trabajo para g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos

A continuación, pasamos a investigar el efecto de la adsorción de metales alcalinos sobre las propiedades ópticas de g-GaN. Las propiedades ópticas de los materiales se pueden representar mediante la parte real ε ₁ ( ω ) y parte imaginaria ε ₂ ( ω ) de la función dieléctrica, absorción a ( ω ), refractiva n ( ω ), reflectividad R ( ω ), función de pérdida de energía L ( ω ), y el espectro del coeficiente de extinción K ( ω ), como se informó anteriormente [36,37,38,39,40]. La parte real ε ₁ ( ω ) en función de ω para g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos se muestra en la Fig. 6a. El ε ₁ ( 0 ) de g-GaN prístino es 1,48, y el ε ₁ ( 0 ) de g-GaN adsorbido por metales alcalinos es 2,33 (Li), 3,13 (Na), 3,56 (K), 3,81 (Rb) y 3,81 (Cs). Los datos muestran que ε ₁ ( 0 ) de g-GaN adsorbido por metales alcalinos es mayor que el de g-GaN prístino; por lo tanto, las propiedades ópticas de g-GaN son altamente sensibles y ajustables. Además, cuando la energía es superior a 15 eV, la tendencia de la parte real del espectro es idéntica a la correspondiente a la adsorción por diferentes metales alcalinos. La parte imaginaria ε ₂ ( ω ) en función de ω para g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos se muestra en la Fig. 6b. Dos picos estrechos ubicados en 6.18 y 10.76 eV, que se originan en la transición de electrones N-2p a los estados s de los cationes, se desplazan hacia energías más bajas con la adsorción de metales alcalinos. Además, surge un pico alto a 1,22 eV después de la adsorción de metales alcalinos.

Las piezas reales e imaginarias para g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos: a partes reales, b partes imaginarias

La Figura 7 muestra el coeficiente de absorción y los índices de refracción para g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos. En la Fig. 7a, el borde de absorción de g-GaN prístino comienza en 2,77 eV; esta absorción proviene de la transición de electrones excitados de los estados N-2p ubicados en la parte superior de la banda de valencia a los estados del catión vacío 2 s. El espectro de g-GaN prístino muestra dos picos ubicados en 6.28 y 10.95 eV; estos picos exhiben un corrimiento al rojo después de la adsorción de metales alcalinos. Además, las intensidades de los dos picos disminuyen después de la adsorción de metales alcalinos. Además, surge un nuevo pico a 1,61 eV después de la adsorción de metales alcalinos, y algunos picos diversos aparecen a energías superiores a 12,46 eV en los espectros de g-GaN adsorbido por K, Rb y Cs. Estos resultados indican que los materiales de g-GaN adsorbidos por metales alcalinos muestran un amplio rango de ajuste en sus espectros de absorción. Además, los coeficientes de absorción para g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos están relacionados con la parte imaginaria y el índice de extinción, como se muestra en las Figs. 6b y 8c. Como se muestra en la Fig. 7b, los valores de n ( 0 ) son 1,22 (prístino), 1,53 (Li), 1,78 (Na), 1,89 (K), 1,99 (Rb) y 1,99 (Cs). El n ( 0 ) Los valores para g-GaN prístino y g-GaN adsorbido por metales alcalinos son ligeramente inferiores a los obtenidos para nanocables de GaN prístinos y nanocables de GaN adsorbidos por metales alcalinos [12]. Con el aumento de la fotoenergía, el índice de refracción del g-GaN prístino alcanza un valor máximo de aproximadamente 1,65 a 5,88 eV, mientras que los índices de refracción del g-GaN adsorbido por metales alcalinos alcanzan un valor máximo de aproximadamente 1,75-2,25 a 0,7-2 eV. Además, los índices de refracción del g-GaN prístino y del g-GaN adsorbido por metales alcalinos alcanzan un valor mínimo de aproximadamente 11,41 eV. Por último, los índices de refracción se mantienen sin cambios con un valor de 0,91 cuando la fotoenergía es superior a 15 eV.

El coeficiente de absorción y los índices de refracción del g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos: a coeficiente de absorción, b índices de refracción

El coeficiente de reflectividad, la función de pérdida de energía y el coeficiente de extinción para g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos: a coeficiente de reflectividad, b función de pérdida de energía, c coeficiente de extinción

El coeficiente de reflectividad R ( ω ) para g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos se muestra en la Fig. 8a. Un pico de reflexión fuerte se encuentra a 11,3 eV para g-GaN prístino; sin embargo, la intensidad máxima disminuye después de la adsorción de metales alcalinos. Además, un nuevo pico de reflexión emerge en la región de baja energía (0-2,5 eV), lo que indica que el espectro de reflexión se extiende después de la adsorción de metales alcalinos. La función de pérdida de energía L ( ω ) para g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos se muestra en la Fig. 8b; los datos muestran que el pico más prominente para g-GaN prístino se encuentra en aproximadamente 11,57 eV, mientras que el pico más prominente para g-GaN adsorbido por metales alcalinos aparece en 11,12 eV. La intensidad máxima del g-GaN adsorbido por metales alcalinos es menor que la del g-GaN prístino; por tanto, la pérdida de energía es más lenta para la transmisión de electrones en g-GaN adsorbido por metales alcalinos. Además, el g-GaN adsorbido por metales alcalinos es un compuesto estable. El coeficiente de extinción K ( ω ) de g-GaN prístino y adsorbido por metales alcalinos se muestra en la Fig. 8c. El coeficiente de extinción del g-GaN adsorbido por metales alcalinos es similar al coeficiente de reflectividad. Por lo tanto, las propiedades ópticas de g-GaN se pueden ajustar mediante la adsorción de átomos de metales alcalinos, lo que es útil para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos.

Conclusiones

Las propiedades electrónicas y ópticas de los sistemas de g-GaN adsorbidos por metales alcalinos se investigaron utilizando la teoría funcional de la densidad. Los resultados se resumen de la siguiente manera:(1) todos los g-GaN adsorbidos por metales alcalinos son bastante estables y el sitio de adsorción más estable es el T _M sitio. (2) La adsorción de átomos de metales alcalinos en g-GaN se produce mediante quimisorción. (3) Se puede encontrar un comportamiento de dopaje n en g-GaN después de la adsorción de adatomos de metales alcalinos. (4) La función de trabajo de g-GaN se reduce considerablemente después de la adsorción de metales alcalinos, y el sistema de g-GaN adsorbido con Cs muestra la función de trabajo mínima de solo 0,84 eV, por lo tanto, el sistema de g-GaN adsorbido con Cs tiene una aplicación potencial en dispositivos de emisión de campo. (5) La adsorción de metales alcalinos puede conducir a un aumento de la constante dieléctrica estática y extender el espectro de absorción de g-GaN. En consecuencia, la adsorción de metales alcalinos se puede utilizar para decorar y ampliar las propiedades optoelectrónicas de g-GaN, que se puede utilizar para producir dispositivos fotoeléctricos.

Abreviaturas

2D:: Bidimensional
GGA:: Aproximación de gradiente generalizada
g-GaN:: Nitruro de galio similar al grafeno
PBE:: Perdew-Burke-Ernzerhof
PDOS:: Densidad parcial de estados
TDOS:: Densidad total de estados

Síntesis fácil de nanopartículas de iridio sin ligando y su biocompatibilidad in vitro Rendimiento energético mejorado basado en la integración con los nanolaminados de Al / PTFE

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

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