Rectificación del rendimiento de la heterounión basada en nanocintas de α-borofeno con pasivación de bordes

Resultados y discusión

La tensión de corriente calculada ( I - V ) curvas de heterouniones M n H, M ^′ n H y M n N dentro del rango de polarización de -1.0 a 1.0 V se muestran en la Fig. 3a-c, respectivamente. De estos yo - V curvas, podemos ver claramente que con el incremento del sesgo positivo, la corriente aumenta rápidamente en los tres tipos de uniones. Sin embargo, con el aumento del sesgo negativo, la corriente a través de las uniones aumenta más lentamente. El yo - V Las curvas tienen características obviamente asimétricas bajo todo el sesgo, lo que significa que las uniones tienen un comportamiento de rectificación dentro del rango de sesgo. El efecto de rectificación en la heterounión es causado principalmente por la asimetría de las diferentes nanocintas en los lados izquierdo y derecho y la formación de la interfaz en la región de dispersión central. Para evaluar la fuerza del comportamiento de rectificación, usamos los datos para el I - V curvas para calcular la relación de rectificación (RR), que se define como RR ( V ) =| yo (+ V ) | / | yo (- V ) |, donde I (± V ) representa la corriente con sesgo positivo y negativo. Los RR calculados de los tres tipos de uniones M n H, M ^′ n H y M n N dentro del rango de polarización de 0,1 V −0,5 V se muestran en la Fig. 3d – f, respectivamente. Para el tipo M n H, el RR de M1H es solo 3 a 0.2 V mientras que el de M10H puede alcanzar 115 con el mismo sesgo. Del mismo modo, para el M ^′ n Tipo N con sesgo de 0,2 V, el RR de M ^′ 1H es 3 y el de M ^′ 10H es hasta 90. Además, para M n Tipo N, el RR de M1N es 2 a 0.3 V mientras que el de M10N alcanza hasta 240. Además, mediante una observación cuidadosa en la Fig. 3, encontramos que la magnitud de la corriente y RR se pueden controlar cambiando el tamaño del parte semiconductora de la unión. En concreto, por un lado, la corriente en la unión se reduce a medida que aumenta el número de celdas primitivas de la parte semiconductora. Por otro lado, el RR aumenta significativamente a medida que aumenta el número de células primitivas. Dado que el lado derecho de la heterounión es una nanocinta semiconductora con una banda prohibida, la probabilidad de efecto túnel de electrones decae exponencialmente a medida que aumenta la longitud del semiconductor. Como resultado, en las heterouniones de M n H, M ^′ n H y M n N, como n aumenta, RR aumenta significativamente. Este resultado concuerda bien con estudios previos sobre las heterouniones basados ​​en otros materiales 2D [44-46].

El yo - V características y ratios de rectificación para los tres tipos de heterouniones, donde a - c corresponden a I - V curvas para cruces M n H, M ^′ n H y M n N ( n =1, 2, 5, 8, 10) dentro del rango de sesgo de (- 1,1) V, respectivamente. El recuadro en c es la I ampliada - V curvas de M n N dentro del rango de sesgo. d - f Las relaciones de rectificación calculadas correspondientemente a partir de I-V datos

Comparando el I - V curvas y RR entre los tres tipos de heterouniones que se muestran en la Fig.3, encontramos que la variación de I - V curvas y RR para M n H y M ^′ n H tienen tendencias similares. Sin embargo, los de M n N son significativamente diferentes. Para explicar la diferencia en las propiedades de transporte de los tres tipos de uniones, hemos calculado los espectros de transmisión bajo polarización cero que se muestran en la Fig. 4, donde se acompañan las estructuras de banda del electrodo izquierdo y derecho. A partir de estos espectros de transmisión, se puede ver que todas las uniones tienen un espacio de transmisión cerca del nivel de Fermi, donde usamos la línea de puntos magenta para indicar la posición del espacio. La razón de la existencia de la brecha de transmisión es que la estructura de la banda de energía del electrodo derecho tiene una brecha cerca del nivel de Fermi. Por lo tanto, la estructura de la banda de los electrodos izquierdo y derecho no coincide, lo que hace que el canal de transporte se cierre y los electrones del electrodo izquierdo no puedan alcanzar el electrodo derecho. Este es también el origen físico de la corriente débil en el sesgo bajo. Además, la comparación de la Fig. 4a, by la Fig. 4a, c muestra que los espectros de transmisión de M n H y M ^′ n H bajo sesgo cero tiene tendencias similares; sin embargo, las tendencias de M n H y M n N son bastante diferentes. Esto está determinado por el grado de coincidencia de las estructuras de banda de los electrodos izquierdo y derecho cerca del nivel de Fermi. La nanocinta metálica izquierda de la unión M ^′ n H cambia de Z α BNR a 1H-Z α BNR en comparación con M n H. El grado de coincidencia entre los electrodos izquierdo y derecho cerca del nivel de Fermi prácticamente no ha cambiado. Sin embargo, para M n N, la nanocinta semiconductora derecha se cambia de 2H-Z α BNR a N-Z α BNR en comparación con M n H. La banda prohibida aumenta de 0,43 eV a 1,0 eV, lo que da como resultado una disminución en el grado de coincidencia de los electrodos izquierdo y derecho cerca del nivel de Fermi. Por lo tanto, las propiedades de transporte de M n H y M ^′ n H son casi iguales, mientras que M n H y M n N obviamente son diferentes. Este resultado indica que el cambio de la nanocinta metálica de la parte izquierda tiene un pequeño efecto sobre las propiedades de transporte de la unión; sin embargo, cambiar la nanocinta semiconductora de la parte correcta tiene una gran influencia en ello.

La estructura de la banda del electrodo izquierdo y derecho, donde el nivel de Fermi se establece en cero y las líneas discontinuas magenta indican la banda prohibida del electrodo semiconductor derecho. Los espectros de transmisión con polarización cero para heterouniones a M n H, b M ^′ n H y c M n N con n =1 (línea discontinua roja), 5 (línea discontinua azul) y 10 (línea continua verde) se muestran correspondientemente en la parte central de cada figura, respectivamente

Para comprender mejor los detalles del comportamiento de rectificación para las heterouniones, calculamos los espectros de transmisión en varios sesgos determinados, como se muestra en la Fig.5, donde la parte superior / inferior muestra los espectros de transmisión de la unión bajo el sesgo positivo / negativo. De acuerdo con la fórmula de Landauer-Büttiker, sabemos que la corriente en la unión está directamente relacionada con el área integrada del espectro de transmisión dentro de la ventana de polarización [47-49]. A partir del espectro de transmisión que se muestra en la Fig. 5, podemos ver que los tres tipos de modelos tienen una tendencia común. En la ventana de polarización, el área integrada del espectro de transmisión disminuye a medida que aumenta el número de celdas primitivas en la parte semiconductora. Esta es la razón por la que la corriente en la heterounión disminuye con el número de células en la porción del semiconductor aumenta, como se muestra en la Fig. 3. La Figura 5a muestra los espectros de transmisión de las heterouniones M n H a ± 0.3 V.Para M1H, el área integral del espectro de transmisión en la ventana de polarización a 0.3 V es solo ligeramente mayor que - 0.3 V.Por lo tanto, la corriente de 0.3 V es solo ligeramente más alta que - 0.3 V, y el RR es solo 3 con un sesgo de 0.3 V. Sin embargo, para M5H y M10H, el área integral del espectro de transmisión bajo sesgo positivo en la ventana de sesgo es significativamente mayor que bajo sesgo negativo. Esto lleva a que la corriente de M5H y M10H bajo sesgo positivo sea mayor que bajo sesgo negativo, y el RR es mucho mayor que M1H. La Figura 5b muestra los espectros de transmisión de M ^′ n H a ± 0,3 V. En la figura, se puede ver que los espectros de transmisión de M ^′ n H en la ventana de sesgo son casi iguales a M n H. Por lo tanto, bajo el mismo voltaje de polarización, la corriente y el RR de M ^′ n H y M n H son casi iguales [ver Fig. 3b, e]. Los espectros de transmisión de M n N a ± 0,9 V se muestran en la Fig. 5c. Dado que los coeficientes de transmisión en la ventana de polarización son demasiado pequeños, ampliamos los espectros de transmisión en la ventana de polarización y lo adjuntamos como un recuadro en el lado inferior derecho de la Fig. 5c. La tendencia del espectro de transmisión M1N en la ventana de polarización es similar a la de M1H y M ^′ 1H. Por tanto, el RR de M1N también es pequeño. Para M5N y M10N, el área integral del espectro de transmisión bajo sesgo positivo en la ventana de sesgo es mucho mayor que el área bajo sesgo negativo. Por lo tanto, en comparación con M1N, las características asimétricas de estos I - V las curvas son más obvias. Esto implica que tienen una gran relación de rectificación. Cabe mencionar que el RR de M10N puede llegar a 240, que es el mejor entre los tres tipos de heterounión.

Los espectros de transmisión para heterouniones a M n H con un sesgo de ± 0,3 V, b M ^′ n H con un sesgo de ± 0,3 V y c M n N con un sesgo de ± 0,9 V con la misma elección de n en colores de línea para la Fig. 4, donde en cada figura la parte superior / inferior para la transmisión en el sesgo positivo / negativo. Las dos líneas continuas verticales (magenta) indican la ventana de sesgo. El recuadro en la Fig. 5c es una amplificación de los espectros de transmisión en la ventana de polarización

Para explicar de manera más intuitiva el espectro de transmisión en la Fig.5, mostramos el estado propio de transmisión de M5H y M ^′ 5H en V =0,3 V, E =- 0,15 eV y V =- 0,3 V, E =0.15 eV en la Fig. 6a yb, respectivamente. Y el estado propio de transmisión de M5N en V =0,9 V, E =- 0,45 eV y V =- 0,9 V, E =0,45 eV se muestran en la Fig. 6c [15, 16, 49]. El análisis del estado propio de transmisión se puede obtener combinando linealmente los estados de Bloch en propagación \ (\ sum _ {m} C_ {a, m} \ psi _ {m} \). La C _{a , m} puede derivarse de la diagonalización de la matriz de transmisión, es decir, \ ({\ sum \ nolimits} _ {n} T_ {mn} C_ {a, n} \) = λ _a C _{a , m} , donde λ _a es el valor propio de transmisión. Como puede verse en la Fig.6, para todas las heterouniones, el estado propio de transmisión bajo sesgo negativo se ubica en la parte metálica (Z α no pasivado BNR y 1H-Z α BNR). En caso de sesgo positivo, el estado propio de transmisión se localiza principalmente en la parte izquierda. Sin embargo, forma un canal de transmisión en la heterounión. Los electrones se pueden transferir del electrodo izquierdo al electrodo derecho. Por lo tanto, en la ventana de sesgo, el coeficiente de transmisión bajo sesgo positivo es mayor que el bajo sesgo negativo. Comparando la Fig. 6a con b, se puede ver que el estado propio de transmisión de M ^′ 5H y M5H son solo ligeramente diferentes. Así, las heterouniones M ^′ 5H y M5H tienen casi los mismos coeficientes de transmisión en la ventana de polarización. Además, para M5N, dado que la banda prohibida de la parte semiconductora aumenta, lo que resulta en una dispersión electrónica más dramática en la heterounión. Por lo tanto, solo algunos de los estados propios de transmisión pueden transmitirse al lado derecho. Esto llevó al coeficiente de transmisión de M n N en la ventana de sesgo es menor que el de los otros dos tipos de heterounión. Mientras tanto, con el mismo sesgo, la corriente de M n N es el más pequeño de los tres tipos de heterouniones.

Los estados propios de transmisión para la heterounión a M5H en polarización:0,3 V con E =0,15 eV (superior) y con polarización 0,3 V con E =- 0,15 eV (inferior), b M ^′ 5H a - 0,3 V con E =0,15 V y a 0,3 V con E =- 0,15 eV y c M5N con sesgo =- 0,9 V con E =0,45 eV y a 0,9 V con E =- 0,45 eV, respectivamente. Los isovalores se fijan en 0,2 Å ⁻³ e V ⁻¹ para todos los estados propios

Finalmente, con el fin de seguir explorando el efecto de las nanocintas izquierda y derecha sobre las propiedades de transporte con heterouniones, la Fig. 7 muestra la densidad proyectada de estados (PDOS) de los tres tipos de heterouniones. En la Fig. 7a, se puede ver que los espectros PDOS aportados por los electrodos izquierdos (Z no pasivado α BNR) de las uniones M1H, M5H y M10H con superposición cerca del nivel de Fermi. Esto indica que el PDOS contribuido por el electrodo izquierdo apenas se ve afectado por la extensión de la nanocinta semiconductora (2H-Z α BNR) en la región de dispersión central. Sin embargo, los espectros PDOS aportados por el electrodo derecho (2H-Z α BNR) tiene una brecha cerca del nivel de Fermi. Esto es causado por una banda prohibida cerca del nivel de Fermi del electrodo derecho [ver Fig. 3c]. Afectado por la extensión de la región de dispersión intermedia 2H-Z α BNR, los espectros PDOS aportados por los electrodos derechos de las uniones M1H, M5H y M10H difieren mucho entre sí en el rango de energía fuera de la banda prohibida. Dado que no hay una diferencia esencial entre los dos electrodos para la heterounión M ^′ n H y M n H, el electrodo derecho es el mismo y el electrodo izquierdo es una cinta metálica. Entonces, el PDOS de M ^′ n H y M n H son casi iguales cerca del nivel de Fermi, como se muestra en la Fig. 7a, b. Ésta es una de las razones por las que el espectro de transmisión, I - V curvas y RR de M n H y M ^′ n H son similares con un sesgo bajo [véanse las Figs. 3 y 5]. En la Fig. 7c, presentamos el PDOS del M n N. Debido al aumento de la banda prohibida de la parte semiconductora en la heterounión, el efecto del electrodo izquierdo sobre las propiedades de transmisión se hace menor. Por lo tanto, los PDOS se superponen entre sí dentro de un rango de energía más grande cerca del nivel de Fermi. El espectro PDOS contribuido por el electrodo derecho existe una brecha en el rango de energía de (- 0.5, 0.5) eV. Son consistentes con la posición de la brecha con la estructura de la banda N -ZBNR. A partir del PDOS, podemos concluir que el electrodo metálico del lado izquierdo tiene poco efecto sobre las propiedades de transporte de la región de dispersión intermedia. Sin embargo, el electrodo de la parte semiconductora de la derecha es fundamental para las propiedades de transporte de la región de dispersión intermedia.

La densidad proyectada de estados (PDOS) del electrodo ZBNR no pasivado izquierdo (superior) y el electrodo derecho (1H-Z α BNR, 2H −ZBNR o N-Z α BNR) (inferior) para a M n H, b M ^′ n H y c M n N con la misma opción de n en colores de línea para la Fig. 5, respectivamente