Propiedades eléctricas ajustables de bicapa α-GeTe con diferentes distancias entre capas y campos eléctricos externos

Resumen

Sobre la base de los cálculos del primer principio, se investigan sistemáticamente la estabilidad, la estructura electrónica, la absorción óptica y las propiedades electrónicas moduladas por diferentes distancias entre capas o por campos eléctricos externos de α-GeTe de dos capas. Los resultados muestran que la bicapa de van der Waals (vdW) α-GeTe tiene una estructura de banda indirecta con el valor de gap de 0,610 eV, y α-GeTe tiene una captación de luz atractiva y eficaz. Curiosamente, junto con la disminución de las distancias entre capas, la banda prohibida de α-GeTe de bicapa disminuye linealmente, debido a la mejora de la interacción vdW entre capas. Además, la transición de banda prohibida se origina a partir del gas de electrones casi libres inducido por campo eléctrico (NFEG) bajo la aplicación de campos eléctricos positivos. Sin embargo, cuando se aplican los campos eléctricos negativos, no hay NFEG. Teniendo en cuenta estas características de α-GeTe bicapa, se ha diseñado un posible dispositivo de almacenamiento de datos. Estos resultados indican que α-GeTe bicapa tiene potencial para funcionar en nuevos dispositivos electrónicos y optoelectrónicos.

Introducción

El éxito del grafeno [1, 2] ha estimulado una gran investigación en nuevos materiales bidimensionales (2D), incluidos nitruro de boro hexagonal (h-BN) [3], dicalcogenuros de metales de transición (TMD) [4], metales de transición carburos (MXenes) y nitruros [5], y heteroestructuras de van der Waals (vdW) [6]. Estos materiales 2D pueden funcionar en aplicaciones electrónicas u optoelectrónicas [7, 8] debido a sus propiedades electrónicas ajustables [9] y su flexibilidad superior bajo tensión de tracción [10]. Sin embargo, existen más o menos desafíos en los materiales 2D, como la fácil degradación del fosforeno en el aire [11], la baja movilidad del orificio y la débil absorción de la luz visible del seleniuro de indio (InSe) [12], así como la cero banda prohibida de grafeno [7], siliceno [13] y germaneno [14]. Por lo tanto, es necesario investigar nuevos materiales 2D con una estabilidad sobresaliente, una alta movilidad de portadora y la banda prohibida deseada.

En los últimos años, el α-GeTe a granel se ha aplicado en varios campos, como las tecnologías de memoria de cambio de fase no volátil [15, 16], las aplicaciones informáticas neuromiméticas y la termoeléctrica [17, 18]. Recientemente, la α-GeTe nanoestructurada se ha fabricado ampliamente mediante deposición de capa atómica (ALD) [17], métodos de vapor-sólido-líquido (VLS) [18] y métodos químicos que utilizan polímeros estabilizadores de superficies [19]. Las fases nanoestructuradas de α-GeTe [20] tienen una temperatura de cristalización más alta y un punto de fusión más bajo que las α-GeTe [19] a granel. Más importante aún, α-GeTe es un semiconductor IV-VI con capas atómicas pandeadas en las que los átomos de Ge y Te están enlazados. Hay una fuerza vdW débil entre las capas de α-GeTe.

Muy recientemente, se obtuvieron nanohojas de α-GeTe de pocas capas de dos a cuatro capas e incluso α-GeTe monocapa mediante la aplicación de exfoliación en fase líquida asistida por sonicación al polvo de α-GeTe dispersado en etanol por Zhang et al. [21]. Sin embargo, pocos estudios teóricos se centran en las propiedades electrónicas de modulación de α-GeTe 2D utilizando campos eléctricos externos y deformación vertical, los cuales son métodos efectivos en la ingeniería de banda prohibida [22]. Teniendo en cuenta el hecho, la estructura multicapa está más disponible que la monocapa en aplicaciones potenciales. Por lo tanto, el estudio de α-GeTe bicapa, que es la estructura multicapa más típica, es esencial para el desarrollo potencial de la nanoplaca 2D α-GeTe. En este artículo, basado en cálculos de primer principio, se investigan sistémicamente la estabilidad, las estructuras de bandas, la absorción óptica y las propiedades electrónicas moduladas por diferentes distancias entre capas y por campos eléctricos externos de α-GeTe bicapa. Nuestros estudios demuestran que la α-GeTe de dos capas vdW tiene potencial para nuevos dispositivos electrónicos y optoelectrónicos.

Métodos computacionales

Todos los cálculos se realizan sobre la base de la teoría funcional de densidad de espín polarizado (DFT) utilizando el método de onda aumentada proyectada (PAW) implementado en Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) [23, 24]. La aproximación de gradiente generalizada de Perdew-Burke-Ernzerhof (GGA-PBE) [25] se selecciona para describir el intercambio de electrones y la correlación. La interacción vdW se considera utilizando un método semi-empírico DFT-D3 [26]. La energía de corte de la onda plana se establece en 500 eV para garantizar la convergencia de la energía total, y se seleccionan mallas de 15 × 15 × 1 k-puntos para la integración de la zona de Brillouin. Para separar las interacciones entre las losas periódicas, el espacio de vacío en la z la dirección se establece en 30 Å. Los vectores de celosía y las posiciones atómicas se relajan completamente hasta que la fuerza y la energía convergen a 0.01 eV / Å y 10 ⁻⁵ eV, respectivamente. Como el método GGA-PBE generalmente subestima la banda prohibida de los semiconductores, se emplea el método de Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06) [27] para calcular correctamente los valores de la brecha y los bordes de la banda de los semiconductores. Por tanto, las estructuras electrónicas y las propiedades ópticas se calculan utilizando el HSE06. La estructura de la banda de fonones se realiza utilizando la teoría de perturbación funcional de densidad (DFPT) como se implementó en Phonopy [28], que adopta el método de aproximación cuasi-armónica para analizar la hipersuperficie de energía potencial en las cercanías de la estructura de energía mínima.

Resultados y discusión

Estructura geométrica

La α-GeTe monocapa tiene la estructura hexagonal con capas atómicas pandeadas en las que los átomos de Ge se encuentran en una capa y los átomos de Te se encuentran en la otra capa. Los parámetros de celosía optimizados, las longitudes de enlace y los ángulos de la monocapa α-GeTe son a =b =3.95 Å, L _Ge-Te =2.776 Å y θ =91,497 °, respectivamente. El parámetro de celosía monocapa α-GeTe también concuerda con un informe anterior [21]. Para heteroestructuras de α-GeTe vdW de dos capas, se consideran dos tipos de estructuras de apilamiento posiblemente de alta simetría, a saber, apilamiento AA y AB, como se muestra en la Fig. 1. El apilamiento AA presenta una disposición de apilamiento hexagonal. El apilamiento AB tiene la función de apilamiento de Bernal como estructura de α-GeTe a granel. Las energías totales de las dos estructuras de apilamiento se calculan para evaluar la estabilidad relativa, respectivamente. El resultado muestra que la energía total del apilamiento AA es 147 meV menor que la del apilamiento AB. La estructura más estable de la bicapa α-GeTe es el apilamiento AA, diferente de la de su masa. Además, la distancia de equilibrio calculada es 2.920 Å para α-GeTe de bicapa apilable con AA. La dispersión de fonones calculada de α-GeTe de bicapa de apilamiento de AA, demostrada en la Fig. 2, indica que la bicapa de apilamiento de AA α-GeTe es estable, debido a que no hay frecuencia imaginaria en el espectro de fonones. Además, en el experimento se ha obtenido la α-GeTe estable de dos capas [21]. Por lo tanto, la α-GeTe de bicapa apilable con AA se analiza principalmente en la siguiente sección.

Vista superior ( a ) y vista lateral ( c ) de α-GeTe de bicapa apilable con AA. Vista superior ( b ) y vista lateral ( d ) de bicapa apilable AB α-GeTe

Dispersión en banda de fonones de α-GeTe de bicapa apilable con AA

Estructuras electrónicas

Para comprender claramente las propiedades electrónicas de α-GeTe bicapa, se calculan la estructura de bandas y la densidad proyectada de estados (PDOS) de α-GeTe monocapa, como se muestra en la Fig. 3a. El mínimo de la banda de conducción (CBM) se encuentra entre los puntos M y Γ, mientras que el máximo de la banda de valencia (VBM) se encuentra en el punto Γ, lo que indica que la monocapa α-GeTe es un semiconductor de banda prohibida indirecta con un valor de brecha de energía de 1.796 eV , de acuerdo con los resultados anteriores [21]. Según el PDOS, el CBM está compuesto en gran parte por los estados Ge-s, Ge-p y Te-p, mientras que los estados en el VBM se atribuyen a los estados Ge-p y Te-p. Para la bicapa α-GeTe, la estructura de la banda proyectada se representa en la Fig. 3b, lo que indica una banda indirecta con el valor de intervalo de 0,610 eV. El CBM de α-GeTe bicapa está dominado por la capa hacia abajo, que se encuentra entre los puntos M y Γ, mientras que el VBM es principalmente contribuido por los estados de la capa hacia arriba, ubicándose entre los puntos Γ y K. Es interesante que la estructura de banda proyectada de la bicapa α-GeTe parece ser la suma del componente de la monocapa, lo que indica que existe una interacción vdW débil típica en la bicapa α-GeTe. Para obtener más información sobre α-GeTe bicapa, se calcula la densidad de carga descompuesta en banda del VBM y CBM, como se muestra en la Fig. 3c. La densidad de carga de banda descompuesta del CBM y VBM son claramente diferentes. Los estados de los electrones de menor energía y los huecos de mayor energía se localizan en la capa inferior y la capa superior, respectivamente, lo que provoca la separación efectiva de electrones y huecos con alineaciones de borde de banda de tipo II. Por lo tanto, la recombinación de excitones espacialmente indirecta ocurre a través de la brecha escalonada de la bicapa, que es importante para aplicaciones optoelectrónicas [12].

un Estructura de bandas y densidad parcial de estados de α-GeTe monocapa. Estructura de banda proyectada ( b ) denotado por líneas azules (capa hacia abajo) y líneas rojas (capa hacia arriba) de bicapa α-GeTe. Densidad de carga de banda descompuesta ( c ) del VBM y CBM para bicapa α-GeTe

Propiedades ópticas

Es muy importante estudiar la absorción óptica en dispositivos optoelectrónicos. Basado en la función dieléctrica dependiente de la frecuencia ε ( ω ), el coeficiente de absorción óptica a ( ω ) de α-GeTe monocapa y bicapa se puede calcular de acuerdo con la fórmula [12, 22]:

$$ \ alpha \ left (\ omega \ right) =\ sqrt {2} \ omega {\ left [\ sqrt {\ omega_1 ^ 2 \ left (\ omega \ right) + {\ omega} _2 ^ 2 \ left ( \ omega \ right)} - {\ omega} _1 \ left (\ omega \ right) \ right]} ^ {\ raisebox {1ex} {$ 1 $} \! \ left / \! \ raisebox {-1ex} {$ 2 $} \ right.} $$

donde ε ₁ ( ω ) y ε ₂ ( ω ) son la parte real y la parte imaginaria de la función dieléctrica compleja, respectivamente. En la Fig. 4, se muestran los coeficientes de absorción óptica obtenidos de α-GeTe monocapa, bicapa y a granel. La monocapa α-GeTe tiene tres picos de absorción, de acuerdo con sus transiciones entre la banda de conducción y la banda de valencia de la monocapa α-GeTe. Y hay una absorción de luz obvia en las regiones ultravioleta y ultravioleta profunda. Sin embargo, la bicapa α-GeTe también tiene una absorción de luz distinta en las regiones visible e infrarroja. Similar al α-GeTe bicapa, el α-GeTe a granel exhibe una amplia absorción óptica que va desde el ultravioleta profundo al infrarrojo, y la intensidad de absorción óptica puede alcanzar el orden de 10 ⁵ cm ⁻¹ . Esta intensidad de absorción óptica mejorada es causada por el aumento del número de capas de α-GeTe en masa, en comparación con α-GeTe monocapa y bicapa. Por lo tanto, α-GeTe podría ser un material prometedor para la aplicación optoelectrónica debido a la eficiencia de la utilización de la energía solar.

Coeficiente de absorción de α-GeTe monocapa y bicapa

Efecto de la deformación vertical

La aplicación de deformación vertical es una forma eficaz de modular las propiedades electrónicas de los materiales bicapa. La Figura 5a muestra la banda prohibida en función de las distancias entre capas. La energía de enlace ( E _b ) se calcula mediante la ecuación [22]:

$$ {E} _ {\ mathrm {b}} ={E} _ {\ mathrm {b} \ mathrm {ilayer}} - 2 {E} _ {\ mathrm {monocapa}} $$

donde E _bicapa y E _monocapa son las energías totales de α-GeTe bicapa y monocapa, respectivamente. Con las variedades de distancia entre capas de 2.420 a 3.520 Å, las energías de unión son todas negativas. Más importante aún, la distancia con d =2.920 Å corresponde al valor mínimo de E _b , indicando la estructura más estable. Además, la banda prohibida de α-GeTe de dos capas se puede ajustar continuamente mediante el acoplamiento entre capas diferentes. Los espacios de banda aumentan monótonamente, pero la forma de todas las estructuras de banda se mantiene sin cambios con distancias que varían de 2.420 a 3.520 Å. En la Fig. 5b, las estructuras de bandas se representan gráficamente para α-GeTe bicapa con distancias entre capas de 2,420 Å y 3,520 Å. CBM1 y VBM1 se corresponden con la distancia entre capas de 3,520 Å, y CBM2 y VBM2 están relacionados con la distancia entre capas de 2,420 Å. El CBM disminuye mientras que el VBM aumenta junto con las distancias entre capas decrecientes. La banda prohibida aumenta con un aumento en la distancia entre capas para α-GeTe bicapa debido a la mejora de la interacción entre capas vdW y superposición orbital. Se pueden encontrar comportamientos similares en InSe bicapa [22].

Variaciones de la energía de enlace y la banda prohibida ( a ) de α-GeTe bicapa en función de la distancia entre capas. Estructuras de bandas ( b ) de α-GeTe de dos capas con distancias entre capas de 2.420 Å y 3.520 Å

Efecto de los campos eléctricos externos

Otra forma eficaz de ajustar las propiedades electrónicas de la bicapa 2D vdW es aplicando campos eléctricos externos verticales. Para obtener resultados válidos, se realiza una capa de dipolo plano en el medio de la región de vacío y la simetría se cancela en todos los cálculos con la aplicación de campos eléctricos [29]. Además, la dirección positiva se define como apuntando desde la capa hacia abajo hacia la capa hacia arriba. En la Fig.6, la banda prohibida de α-GeTe de dos capas cambia sutilmente, cuando los valores de aplicar campos eléctricos ( E _aplicación ) varían de 0,01 a 0,64 V / Å. Cuando E _aplicación es menor (o mayor) que un valor crítico ( E _c ), la banda prohibida de α-GeTe bicapa cae muy rápida y linealmente. Luego, la transición de semiconductor a metal de bicapa α-GeTe ocurre hasta E _aplicación es menor (o mayor) que un valor típico ( E _t ). Estos resultados muestran que cuanto mayor es la intensidad del campo eléctrico aplicado, más fuerte es la hibridación entre las dos capas.

Variaciones de la banda prohibida de α-GeTe bicapa en función de la aplicación del campo eléctrico vertical. Las líneas discontinuas horizontales de color se han desplazado a cero

En particular, el rango de E _c - E _t es 0.01–0.20 V / Å con la aplicación de campos eléctricos negativos, que es claramente más grande que el rango de E _c - E _t (0.64–0.72 V / Å) con los campos eléctricos aplicados positivos. Para comprender la transición de la banda prohibida bajo los campos eléctricos verticales aplicados, se han calculado las estructuras de banda proyectadas de α-GeTe de bicapa bajo los campos eléctricos verticales externos seleccionados, como se muestra en la Fig. 7. Cuando E _aplicación =- 0,20 y E _aplicación =- 0.10 V / Å, el CBM y el VBM de la bicapa α-GeTe también son contribuidos por la capa inferior y la capa superior, respectivamente. La aplicación de campos eléctricos verticales hace que tanto el CBM como el VBM se acerquen más al nivel de Fermi, logrando finalmente una transición semiconductor-metal en E _aplicación =- 0,20 V / Å. Por otro lado, con un aumento en los campos eléctricos aplicados positivos, el nivel de energía de las estructuras de banda de la capa inferior aumenta gradualmente y se observa viceversa para la capa superior. Como resultado, la capa superior y la capa inferior se atribuyen al CBM y al VBM de la bicapa α-GeTe, respectivamente, cuando E _aplicación ≥ 0,64 V / Å. Además, aparecen bandas de conducción adicionales debajo de los campos eléctricos positivos aplicados, que se indican con la línea cian. Estas bandas no son contribuidas por la capa hacia abajo o hacia arriba, que muestra la característica de gas de electrones libres cercano (NFEG) [30]. El nivel de energía de la banda NFEG cae muy rápidamente con un aumento del campo eléctrico aplicado. Cuando E _aplicación ≥ E _c ~ 0,64 V / Å, el CBM consistió en la banda NFEG. Cuando E _aplicación ≥ E _t ~ 0,72 V / Å, la banda NFEG está cerca del nivel de Fermi y el VBM de la capa inferior entra en contacto con la banda NFEG, lo que indica la característica de estructura de la banda metálica. Y se analiza más a fondo la tendencia a la variación de la banda prohibida de α-GeTe bicapa bajo la aplicación positiva de campos eléctricos. Para E _aplicación < E _c , la banda prohibida depende de la diferencia de nivel de energía entre CBM y VBM, que no es sensible a la aplicación de campos eléctricos. Por tanto, la banda prohibida es relativamente estable. Para E _c < E _aplicación < E _t , la banda NFEG se hace cargo del CBM y domina el cambio de banda prohibida. La banda prohibida disminuye de forma brusca y lineal, a medida que el nivel de energía de la banda NFEG desciende bruscamente. Para E _aplicación < E _t , el nivel de energía de la banda NFEG es más bajo que el del VBM. Por tanto, la transición semiconductor-metal de la bicapa α-GeTe proviene del NFEG inducido por campo eléctrico. Además, α-GeTe bicapa tiene más del doble de E _t de bicapa InSe [29], lo que indica que la transición semiconductor-metal de bicapa α-GeTe necesita más voltaje.

Estructura de banda proyectada de α-GeTe de dos capas indicada por líneas azules (capa inferior) y líneas rojas (capa superior) bajo diferentes campos eléctricos verticales externos

Sobre la base de los resultados anteriores se ha diseñado un posible dispositivo de almacenamiento de datos que utiliza α-GeTe bicapa, cuya estructura esquemática se construye, como se ilustra en la Fig. 8. La α-GeTe bicapa se transfiere al delgado Si / SiO ₂ sustratos. El mismo Si / SiO ₂ La capa está cubierta en la bicapa α-GeTe para proteger 2D α-GeTe del aire. La película de grafeno de gran superficie se transfiere y se utiliza para los electrodos de origen y drenaje debido a su alta transmitancia óptica y conductividad [31]. La bicapa nativa α-GeTe es un semiconductor con un estado APAGADO de alta resistencia eléctrica entre la fuente y los electrodos de drenaje. El NFEG inducido por campo eléctrico puede modular la bicapa α-GeTe para que sea el espacio cero por E _aplicación ≥ E _t de abajo hacia arriba Si, lo que implica cero resistencia eléctrica en estado ON entre la fuente y los electrodos de drenaje. Tanto el NFEG como el estado ON se pueden mantener dentro de este dispositivo de transistor de efecto de campo (FET) cuando se retira el campo eléctrico de aplicación. Cuando se aplica el campo eléctrico negativo, se borra el NFEG en la bicapa α-GeTe. Por lo tanto, los estados APAGADO y ENCENDIDO con las características de estructura de banda metálica y semiconductora se pueden almacenar en dispositivos de almacenamiento de datos bicapa basados en α-GeTe.

Band gap de α-GeTe bicapa en función de la aplicación del campo eléctrico. El recuadro es el modelo esquemático

Conclusión

En resumen, la estabilidad de la bicapa α-GeTe se investiga calculando las energías de unión y la dispersión de la banda de fonones basándose en el primer principio corregido por vdW. La bicapa α-GeTe de vdW tiene una banda prohibida indirecta con una alineación de banda típica de tipo II. Especialmente, α-GeTe tiene un rango e intensidad de absorción óptica mejorados. Además, la banda prohibida de α-GeTe de dos capas se puede ajustar aplicando tensión vertical y aplicando campos verticales externos. Solo cuando se aplican los campos eléctricos positivos, existe el NFEG. Y el NFEG inducido por campo eléctrico puede hacer que la banda prohibida varíe extremadamente rápido. En base a estas destacadas características, se propone un posible dispositivo de almacenamiento de datos basado en α-GeTe bicapa. Estos resultados explican el mecanismo subyacente de la transición de banda prohibida para bicapa α-GeTe. En total, la separación de carga efectiva, el amplio espectro de absorción óptica, la alta intensidad de absorción óptica y la función NFEG hacen que el material de potencial bicapa α-GeTe funcione en dispositivos optoelectrónicos y electrónicos basados en materiales 2D.

Abreviaturas

2D:: Bidimensional
ALD:: Deposición de la capa atómica
CBM:: Banda de conducción mínima
DFT:: Teoría funcional de la densidad
E _aplicación :: Valores de campos eléctricos aplicados
FET:: Transistor de efecto de campo
GGA-PBE:: Aproximación de gradiente generalizada de Perdew-Burke-Ernzerhof
h-BN:: Nitruro de boro hexagonal
HSE06:: Heyd – Scuseria – Ernzerhof
InSe:: Seleniuro de indio
MXenes:: Carburos de metal de transición
NFEG:: Cerca de gas de electrones libres
PAW:: Ola aumentada proyectada
PDOS:: Densidad proyectada de estados
TMD:: Dicalcogenuros de metales de transición
VASP:: Paquete de simulación de Viena Ab initio
VBM:: Máximo de banda de valencia
vdW:: van der Waals
VLS:: Vapor-sólido-líquido

Preparación de micro / nanoesferas huecas de polianilina y su capacidad de eliminación de Cr (VI) de aguas residuales Estructura de tres capas procesada en solución para fotodetector de perovskita de alto rendimiento

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

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