Настройка электронных свойств синего фосфора / графеноподобного GaN-ван-дер-ваальсова гетероструктуры с помощью вертикального внешнего электрического поля

а Двухслойный синий-P на g-GaN, вид сбоку и сверху. б Энергия связи как функция расстояния d _{синий-P / g-GaN} для однослойной и двухслойной системы. На вставке показано увеличение, близкое к минимуму энергии связи

На рис. 2a-b показаны зонные структуры гетероструктуры монослой-синий-P / g-GaN и гетероструктуры двухслойный-синий-P / g-GaN с E _г 1,26 эВ и 1,075 эВ, рассчитанные с использованием GGA, соответственно. Для метода HSE06 E _г составляет 2,2 эВ и 1,91 эВ соответственно. Для обеих гетероструктур состояния с минимальной энергией в зоне проводимости находятся вблизи точки M, а состояния с максимальной энергией в валентной зоне находятся в точке K, две точки не имеют одинакового импульса кристалла в зоне Бриллюэна. Таким образом, запрещенная зона является непрямой запрещенной зоной для обеих полупроводниковых гетероструктур. E _г гетероструктуры монослой-синий-P / g-GaN уменьшается на 0,63 эВ по сравнению с гетероструктурой монослой-синий-P (1,89 эВ), в то время как E _г Двухслойный синий-P (1,118 эВ) сжимается на 0,043 эВ в отличие от гетероструктуры бислой-синий-P / g-GaN. Искривление зон может быть достигнуто за счет разницы между уровнями Ферми синего P с системой g-GaN и отдельно стоящего синего P [28]:Δ E _F = Вт - W _P , где W - работа выхода составной системы (синий-P / g-GaN), а W _P - это работа выхода безупречного синего P. Δ E _F - 1,17 эВ и - 0,81 эВ для гетеропереходов монослой-синий-P / g-GaN и гетеропереходов двухслойный-синий-P / g-GaN, соответственно, как показано на рис. 2c, d. Как можно видеть, тип выравнивания энергетических зон - это ступенчатая щель (тип II) на границах раздела для всех гетероструктур монослой-синий-P / g-GaN и гетероструктур двухслойный-синий-P / g-GaN. / P>

Ленточные структуры а гетероструктура монослой-синий-P / g-GaN, и b гетероструктура двухслойный синий-P / g-GaN соответственно; выравнивания полос и рабочие функции, связанные с c гетероструктура монослой-синий-P / g-GaN и d двухслойная гетероструктура синий-P / g-GaN

Гетероструктура часто подвергается воздействию внешнего электрического поля для настройки ее электронных свойств при применении в наноэлектронных устройствах. Чтобы изучить влияние E _ext на электронной структуре зонные структуры рассчитываются с различными E _ext для гетероструктур blue-P / g-GaN. Как сообщалось в предыдущей работе, геометрической структурой гетероструктуры можно пренебречь, но зонная структура сильно меняется при разных E _ext [29]. На рис. 3а показана эволюция E _г как функция E _ext от - 1,0 эВ / Å до 1,0 эВ / Å. Направление E _ext направление сверху вниз (слой g-GaN) вниз (слой синего P) принимается за прямое направление. Четко показано, что гетероструктуры монослой-синий-P / g-GaN и двухслойный-синий-P / g-GaN демонстрируют модуляцию запрещенной зоны с E _ext . Для монослоя-синий-P / g-GaN, в случае прямого E _ext , E _г линейно увеличивается с увеличением E _ext ≤ 0,4 эВ / Å (диапазон увеличения L). Монослой синий-P / g-GaN достигает своего максимума E _г когда E _ext =0,5 эВ / Å и мало меняется при E _ext находится в диапазоне 0,4 < E _ext <0,6 эВ / Å (диапазон насыщения), что увеличивает смещение зон и способствует разделению электронно-дырочных пар. Первоначальное увеличение на E _г относится к противовесу E _ext в некоторой степени встроенным электрическим полем ( E _int ). E _г приходит к линейному убыванию диапазона с увеличением E _ext > 0,6 эВ / Å (диапазон L-уменьшения). Таким образом, гетероструктура проявляет поведение металла при воздействии на нее более сильного электрического поля. Это происходит из-за пробоя диэлектрика, а также туннелирования заряда. Напротив, E _г линейно снижается с увеличением E _ext (Диапазон L-уменьшения) под реверсом E _ext , вызванный смещением края зоны минимума зоны проводимости (CBM) в сторону максимума валентной зоны (VBM). Однако когда E _ext =- 0,7 эВ / Å ширина запрещенной зоны начинает резко уменьшаться, что может быть связано с пробоем. Когда E _ext <- 0,8 эВ / Å, гетеропереход синий-P / g-GaN претерпевает переход от полупроводника к металлу (диапазон металлов). Эти результаты показывают, что оба E _г переход от полупроводника к металлу в гетероструктуре синий-P / g-GaN зависит от электростатического стробирования, которое может использоваться в высокопроизводительных электронных и оптоэлектронных устройствах. Кроме того, эффект E _ext на E _г Между двойными слоями гетероструктуры синий-P и g-GaN такой же, как и однослойный, но с меньшим электронным полем для перехода от полупроводника к металлу.

а E _g vs E _ext гетероструктур монослой-синий-P / g-GaN и бислой-синий-P / g-GaN. б - е Зонные структуры гетероструктуры монослой-синий-P / g-GaN с E _ext 0,3 эВ / Å, 0,5 эВ / Å, - 0,3 эВ / Å и 0,7 эВ / Å. E _F установлен на 0 и обозначен красной пунктирной линией

Чтобы исследовать влияние электрического поля на зонную структуру, рассчитывается связь между зонной структурой и внешним электрическим полем. Зонные структуры гетероструктур монослой-синий-P / g-GaN с E _ext 0,3 эВ / Å, 0,5 эВ / Å, –0,3 эВ / Å и 0,7 эВ / Å показаны на рис. 3b – e. На рис. 3b-c при значениях E 0,3 эВ / Å и 0,5 эВ / Å. _ext , E _г увеличивается до 1,651 эВ и 1,757 эВ. Это указывает на то, что квазиуровень Ферми монослоя g-GaN смещен вниз, а квазиуровень Ферми монослоя синего P поднимается вверх. Однако на рис. 3d-e для значений –0,3 эВ / Å и –0,7 эВ / Å E _ext , E _г уменьшаются до 0,888 эВ и 0,49 эВ. Квазиуровень Ферми g-GaN движется вверх, а квазиуровень Ферми синего P движется вниз. Результаты показывают, что ширина запрещенной зоны изменяется линейно с примененным вертикальным E . _ext , что указывает на гигантский эффект Штарка [30]. После применения вертикального символа E _ext , подзонные состояния валентности и валентности проводимости будут смешиваться, что приведет к индуцированному полем расщеплению электронных уровней. Электростатическая разность потенциалов, индуцированная внешним полем, значительно изменила электронную структуру вблизи уровня Ферми [31].

На рис. 4a – d показана изоповерхность накопления заряда (оранжевый цвет) и истощения (светло-зеленый), которая демонстрирует изменение плотности заряда гетероперехода синего P / g-GaN с E _ext значение 0,3 эВ / Å, 0,5 эВ / Å, - 0,3 эВ / Å и - 0,7 эВ / Å соответственно. При применении форвардного E _ext Как показано на рис. 4a-b, положительные заряды (дырки) имеют тенденцию переходить от слоя синего P к слою g-GaN, а отрицательные заряды (электроны) переходят от слоя g-GaN к слою синего P. В то же время одновременно можно видеть, что величина переноса заряда составляет более 0,3 эВ / Å, когда электрическое поле составляет 0,5 эВ / Å. По сути, положительное внешнее электрическое поле ориентирует заряд в направлении поля напряжения, ограничивая заряд атомной плоскостью, но оставляя заряд в этих плоскостях, тем самым облегчая перенос заряда от синего P к g-GaN. Напротив, отрицательный E _ext заставляет электроны накапливаться / истощаться на противоположной стороне, как показано на рис. 4c-d. В основном отрицательные внешние электрические поля перемещают заряд обратно к полю напряжения и, таким образом, переносят заряд от g-GaN к синему-P. Соответственно, квазиуровень Ферми монослоя g-GaN и E _VBM повышаются, в то время как квазиуровень Ферми монослоя синего P и E _CBM уменьшение, что приводит к линейному уменьшению запрещенной зоны. Одновременно электроны передаются от голубого P к g-GaN под действием обратного E _ext . Обнаружено, что количество переносимого заряда увеличивается с увеличением напряженности электрического поля.

а - г Изоповерхность накопления заряда и истощения монослойной гетероструктуры blueP / g-GaN под E _ext 0,3 эВ / Å, 0,5 эВ / Å, - 0,3 эВ / Å и - 0,7 эВ / Å соответственно. Оранжевая и светло-зеленая изоповерхности представляют накопление положительного заряда и истощение заряда соответственно. е Планарно-усредненная плотность электронов Δρ ( z ) при разном электрическом поле для монослоя-синий-P / g-GaN

Чтобы прояснить, как E _ext модулирует электронное свойство, рассчитывается интегральная разность зарядов гетероструктуры монослой-синий-P / g-GaN как функция перпендикулярного расстояния, показанная на рис. 4e. Положительные значения на рис. 4e указывают на накопление заряда, а отрицательные значения представляют собой истощение заряда. Для E _ext =0, разность зарядовой плотности гетероструктуры получается как ∆ρ =ρ _{гетероструктура} −ρ _g-GaN −ρ _синий-P . Изменение разности средней плоской плотности заряда на границах раздела указывает на то, что электроны были перенесены из слоя g-GaN в слой синего P через границу раздела, в то время как дырки остались на стороне g-GaN. Усредненный по поверхности дифференциальный заряд с электрическим полем рассчитан для 0,3 эВ / Å и -0,3 эВ / Å. E _ext может оказывать влияние на перенос зарядов в гетероструктуре. Его можно описать как [29]

где \ (\ int {\ rho} _ {E _ {\ mathrm {ext}}} \ left (x, y, z \ right) dxdy \ \ mathrm {и} \ int {\ rho} _ {E_0} \ left (x, y, z \ right) dxdy \) - плотность заряда в точке ( x , y , z ) точка в сверхъячейке гетероструктуры монослой-BP / g-GaN с и без E _ext , соответственно. Направление переноса заряда, индуцированное отрицательным (синяя линия) E _ext противоположно положительному (красная линия) E _ext . Интегрированная плотность заряда количественно показывает, что количество переносимых зарядов увеличивается с силой E _ext . Значение переносимых зарядов для гетероструктуры синий-P / g-GaN с 0,3 эВ / Å E _ext больше, чем 0 эВ / Å и -0,3 эВ / Å, потому что положительное внешнее электрическое поле локализует заряды вдоль направления приложенного поля, удерживая заряды в плоскостях g-GaN.

Чтобы различить вклады голубого P и g-GaN в зонную структуру, рассчитывается проектируемая плотность состояний гетероструктур, которая показана на рис. 5a. Можно видеть, что вклад VBM в основном происходит от g-GaN, а вклад уноса - в основном от синего P. На рисунке 5b показана изоповерхность накопления и истощения заряда монослоя-синий-P / g-GaN и двухслойный-синий-P / g-GaN при внешнем поле 0,5 эВ / Å и 0,7 эВ / Å соответственно. Из-за диэлектрического пробоя двухслойного голубого P / g-GaN при внешнем поле 0,7 эВ / Å ток, связанный с переносом заряда, должен был бы насыщаться под действием возрастающего внешнего поля, что соответствует изображению на рис. 3а.

а TDOS гетероструктуры бислой-синий-P / g-GaN. PDOS P, Ga и N в гетероструктуре. б Изоповерхность накопления заряда и истощения гетероструктуры монослой-синий-P / g-GaN под E _ext 0,3 эВ / Å, 0,5 эВ / Å, - 0,3 эВ / Å и - 0,7 эВ / Å соответственно