Исправление гетероперехода на основе α-борофеновых нанолент с помощью краевой пассивации

Введение

За последние десятилетия появилось большое количество двумерных (2D) материалов, включая графен [1, 2], силицен [3, 4], дихалькогениды переходных металлов (TMD) [5, 6] и фосфорен [7, 8]. ], были тщательно изучены благодаря своим уникальным свойствам. В частности, эти 2D-материалы демонстрируют некоторые интересные особенности электронного транспорта, такие как гигантское магнитосопротивление (GMR) [9, 10], отрицательное дифференциальное сопротивление (NDR) [11, 12], спиновая фильтрация [13, 14] и выпрямление [15]. , 16], таким образом, имея потенциальное применение в электронных устройствах нанометрового масштаба. В последнее время некоторые исследования также показали, что 2D-материалы имеют широкие перспективы применения в термоэлектрических устройствах нанометрового масштаба [17–20]. В дальнейшем исследование боковых гетеропереходов на основе 2D материалов становится важной темой. Некоторые теоретические исследования показали, что боковые гетеропереходы имеют потенциальное применение в полевых транзисторах и дополнительных металлооксидных полупроводниковых технологиях [21, 22]. Кроме того, боковые гетеропереходы атомной толщины уже получены экспериментально [23, 24]. Эти достижения вдохновили на дальнейшее изучение боковых гетеропереходов из более подходящих 2D-материалов.

В последнее время большой интерес вызывают монослои борофена [25–28] после графена и силицена. Теоретические исследования предсказали, что однослойные листы бора могут стабильно существовать на металлической подложке, что было подтверждено последующими наблюдениями [29, 30]. К настоящему времени ряд 2D структур бора был получен путем эпитаксиального роста на подложках из Ag (111), таких как β ₁₂ -, χ ₃ -, δ ₆ -борофен и сотовый борофен [31–34]. Теоретические исследования показывают, что стабильность листа бора можно повысить, введя гексагональное отверстие [35]. Расчеты DFT показали, что борофен с «плотностью шестиугольных дырок» ( η ) 1/9, названный как α −борофен [35, 36], энергетически выгоден. Далее ребро зигзага α -борофеновая нанолента (Z α BNR) проявляет либо металлическое, либо полупроводниковое поведение за счет различных краевых модификаций [37]. Следовательно, свойство электронного транспорта для борофеновых наноструктур еще предстоит изучить, хотя было проведено большое количество исследований электронных структур, механических и термических свойств [25–28].

В данной работе исследуются транспортные свойства гетеропереходов из зигзагообразного ребра Z α BNR. Мы строим три типа плоских боковых переходов металл-полупроводник. Мы обнаружили, что все переходы демонстрируют поведение выпрямления в режиме низкого смещения из-за наличия границ раздела в области рассеяния и асимметрии с левой и правой сторон. Причем выпрямляющий эффект переходов становится заметным с увеличением количества примитивных ячеек в полупроводниковой части перехода. Транспортные свойства переходов сильно зависят от правой части полупроводниковых нанолент. Это явление можно объяснить наличием запрещенной зоны вблизи уровня Ферми полупроводниковой части. Вероятность прохождения электронов через переход будет меньше, когда ширина запрещенной зоны увеличивается, что приводит к уменьшению тока перехода и увеличению степени выпрямления. В частности, скорость выпрямления перехода M10N может достигать около 240, что сопоставимо с ранее изученным гетеропереходом с графеном в качестве электрода и указывает на его потенциальные применения в устройствах выпрямления [38]. Данная статья организована следующим образом. В разделе «Модель и вычислительные методы» мы описываем вычислительные детали. В разделе «Результаты и обсуждение» мы представляем транспортные свойства предлагаемых переходов. Наконец, мы суммируем наши результаты в разделе «Выводы».

Модель и вычислительные методы

Элементарные ячейки рассматриваемого Z α BNR без или с модификациями край-вершина показаны в верхней части рис. 1, где (a) для непассивированного Z α BNR, (b – d) для Z α BNR с атомами бора на крайних краях ячейки, пассивированными одним атомом водорода (H), двумя атомами H и замененными атомом азота (N), которые называются 1H-Z α БНР, 2H-Z α BNR и N-Z α БНР соответственно. Соответствующие им электронные энергетические дисперсии показаны в нижней части рис. 1, из которого мы можем определить разницу в зонной структуре лент. Из рис. 1а видно, что несколько полос собственной изначальной Z α BNR пересекает уровень Ферми ( E _F ), который проявляет металлические свойства. Для 1H-Z α BNR, поскольку частично оборванные связи насыщены атомами H, количество полос около E _F меньше, чем у непассивированного, а также проявляет поведение металла. Для 2H-Z α BNR, однако, E _F перемещается в зазор между связывающей и разрыхляющей полосами из-за оборванных связей на краю, насыщенных двумя атомами H. Следовательно, 2H-Z α BNR - это полупроводник с прямой запрещенной зоной 0,43 эВ на Γ -точка, как показано на рис. 1c. Отметим, что наши результаты зонной структуры для H-пассивированных лент здесь хорошо согласуются с предыдущими численными расчетами [37]. Более того, как показано на рис. 1d, зонная структура N-Z α BNR указывает на то, что это полупроводник с непрямой запрещенной зоной 1,0 эВ. Это может быть связано с заменой атома N на позиции атомов B на краю, что приводит к появлению достаточного количества электронов для заполнения связывающих орбит.

Геометрия элементарной ячейки (вверху) и зонная структура (внизу) для a непассивированный Z α БНР, б 1H-Z α BNR, c 2H-Z α BNR и d N-Z α BNR, где уровень Ферми установлен на ноль, а розовая, пурпурная и белая сферы представляют атомы бора, азота и водорода соответственно

Мы устанавливаем три модели бокового гетероперехода металл / полупроводник на основе упомянутого выше Z α BNR. Каждый модельный спай разделен на три части:левый электрод, правый электрод и центральную область рассеяния. Геометрическая структура переходов, как показано на рис. 2, где левый электрод всегда представляет собой полубесконечный длинный оголенный непассивированный Z α БНР или 1H- Z α BNR, а правый электрод представляет собой полупроводниковый 2H- или N-Z α БНР. В частности, однако, центральные области рассеяния трех переходов представляют собой Z α Элементарная ячейка BNR в сочетании с n ( нет =1, 2, 5, 8, 10) элементарные ячейки 2H-Z α БНР, 1H-Z α BNR в сочетании с n ячейки 2H-Z α BNR и Z α Ячейка BNR в сочетании с n ячеек N-Z α БНР соответственно. Точно так же мы соответственно называем их M n H, M ’ n H и M n N-переходы, показанные на рис. 2а – в соответственно. Стоит отметить, что на рис. 2 показана только схематическая диаграмма модели с n =1 и другие случаи n опущены для экономии места.

Геометрия конструкций предложенных трех типов модельных стыков, где а для M n H, b для M ’ n H и c для M n N, в котором n представляет собой количество элементарных ячеек полупроводниковой части в центральном рассеянии. Большая (синяя) пунктирная рамка представляет центральную область рассеяния, в которой маленькая указывает элементарную ячейку

Расчеты проводились с использованием программного пакета Atomistix ToolKit (ATK), QuantumWise A / S (www.quantumwise.com), который основан на DFT в сочетании с неравновесной функцией Грина Келдыша (NEGF) [39–41]. Функционал Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) в рамках приближения обобщенного градиента (GGA) используется для обменно-корреляционного потенциала. Зона Borilliouin (BZ) отбирается с помощью 1 × 1 × 100 Monkhorst-Pack k -mesh, а энергия отсечки установлена ​​на 150 Ry. Геометрические структуры всех гетеропереходов релаксировали до тех пор, пока абсолютное значение силы, действующей на каждый атом, не стало меньше 0,01 эВ Å ⁻¹ . Чтобы избежать взаимодействия между периодическими изображениями, суперячейка имеет толщину вакуумного слоя не менее 15 Å.

Ток через гетеропереход при напряжении смещения В рассчитывается по формуле Ландауэра-Бюттикера [42, 43]

где h , e , и V - соответственно постоянная Планка, элементарный заряд и напряжение смещения, а f _{L / R} ( E , V ) - функция распределения Ферми-Дирака в левом / правом электроде. Коэффициент передачи рассчитывается

где G ( E , V ) и G ^† ( E , V ) обозначают запаздывающую и опережающую функцию Грина соответственно, а Γ _L ( Γ _R ) представляет собой матрицу связи между центральной областью рассеяния с левым (правым) электродом.

Результаты и обсуждение

Расчетный ток − напряжение ( I - V ) кривые гетеропереходов M n Н, М ^′ нет H и M n N в диапазоне смещения от -1,0 до 1,0 В показаны на рис. 3a – c соответственно. Из этих я - V На кривых видно, что с увеличением положительного смещения ток быстро увеличивается во всех трех типах переходов. Однако с увеличением отрицательного смещения ток через переходы увеличивается медленнее. Я - V Кривые имеют явно асимметричные характеристики под всем смещением, что означает, что переходы имеют выпрямляющее поведение в пределах диапазона смещения. Эффект выпрямления в гетеропереходе в основном вызван асимметрией различных нанолент с левой и правой сторон и образованием границы раздела в центральной области рассеяния. Чтобы оценить силу поведения исправления, мы используем данные для I - V кривые для расчета коэффициента выпрямления (RR), который определяется как RR ( V ) =| Я (+ V ) | / | Я (- V ) |, где I (± V ) представляет ток при положительном и отрицательном смещении. Расчетные RR трех типов стыков M n Н, М ^′ нет H и M n N в диапазоне смещения 0,1 В –0,5 В показаны на рис. 3d – f соответственно. Для типа M n H, RR M1H составляет всего 3 при 0,2 В, в то время как RR M10H может достигать 115 при том же смещении. Аналогично для M ^′ нет Тип N при смещении 0,2 В, RR M ^′ 1H равно 3, а M ^′ 10H до 90. Причем для M n Тип N, RR M1N составляет 2 при 0,3 В, в то время как RR M10N достигает 240. Далее, внимательно наблюдая за рис. 3, мы обнаруживаем, что величиной тока и RR можно управлять, изменяя размер полупроводниковая часть перехода. В частности, с одной стороны, ток в переходе уменьшается с увеличением количества примитивных ячеек полупроводниковой части. С другой стороны, RR значительно увеличивается с увеличением количества примитивных ячеек. Поскольку правая сторона гетероперехода представляет собой полупроводниковую наноленту с запрещенной зоной, вероятность туннелирования электронов экспоненциально спадает с увеличением длины полупроводника. В результате в гетеропереходах M n Н, М ^′ нет H и M n N, как n увеличивается, RR увеличивается значительно. Этот результат хорошо согласуется с предыдущими исследованиями гетеропереходов на основе других 2D-материалов [44–46].

Я - V характеристики и коэффициенты выпрямления для трех типов гетеропереходов, где a - c соответствуют I - V кривые для стыков M n Н, М ^′ нет H и M n N ( n =1, 2, 5, 8, 10) в диапазоне смещения (- 1,1) В соответственно. Вставка в c это увеличенный I - V кривые M n N в пределах диапазона смещения. г - е Коэффициенты выпрямления рассчитываются соответственно из I-V данные

Сравнивая I - V кривых и RR среди трех типов гетеропереходов, показанных на рис. 3, мы обнаруживаем, что изменение I - V кривые и RR для M n H и M ^′ нет H имеют аналогичные тенденции. Однако для M n N существенно различаются. Чтобы объяснить разницу в транспортных свойствах трех типов контактов, мы рассчитали спектры пропускания при нулевом смещении, показанные на рис. 4, где показаны зонные структуры левого и правого электрода. Из этих спектров пропускания можно видеть, что все переходы имеют щель пропускания вблизи уровня Ферми, где мы используем пурпурную пунктирную линию для обозначения положения щели. Причина существования пропускающей щели заключается в том, что зонная структура правого электрода имеет щель вблизи уровня Ферми. Таким образом, зонная структура левого и правого электродов не совпадает, в результате чего транспортный канал закрывается, и электроны левого электрода не могут достигать правого электрода. Это также физическая причина слабого тока при низком смещении. Кроме того, сравнение рис. 4a, b и рис. 4a, c показало, что спектры пропускания M n H и M ^′ нет H при нулевом смещении имеет аналогичные тенденции; однако тенденции M n H и M n N совершенно разные. Это определяется степенью совпадения зонных структур левого и правого электродов вблизи уровня Ферми. Левая металлическая нанолента перехода M ^′ нет H меняется с Z α BNR в 1H-Z α BNR по сравнению с M n З. Степень согласования между левым и правым электродами вблизи уровня Ферми практически не изменилась. Однако для M n N, правая полупроводниковая нанолента изменена с 2H-Z α BNR в N-Z α BNR по сравнению с M n H. Ширина запрещенной зоны увеличена с 0,43 эВ до 1,0 эВ, что приводит к уменьшению степени согласования левого и правого электродов вблизи уровня Ферми. Следовательно, транспортные свойства M n H и M ^′ нет H почти такие же, а M n H и M n N явно разные. Этот результат показывает, что изменение левой части металлической наноленты мало влияет на транспортные свойства перехода; однако изменение правой части полупроводниковой наноленты имеет большое влияние на это.

Зонная структура левого и правого электрода, где уровень Ферми установлен на ноль, а пурпурные пунктирные линии указывают запрещенную зону правого полупроводникового электрода. Спектры пропускания при нулевом смещении для гетеропереходов a М н H, b М ^′ нет H и c М н N с n =1 (красная пунктирная линия), 5 (синяя пунктирная линия) и 10 (сплошная зеленая линия) показаны соответственно в средней части каждого рисунка, соответственно

Чтобы лучше понять детали поведения выпрямления для гетеропереходов, мы рассчитали спектры пропускания при нескольких определенных смещениях, как показано на рис. 5, где верхняя / нижняя часть показывает спектры пропускания перехода при положительном / отрицательном смещении. Согласно формуле Ландауэра-Бюттикера, мы знаем, что ток в переходе напрямую связан с интегрированной площадью спектра пропускания внутри окна смещения [47–49]. Из спектра пропускания, показанного на рис. 5, мы видим, что три типа моделей имеют общую тенденцию. В окне смещения интегрированная область спектра пропускания уменьшается с увеличением количества примитивных ячеек в полупроводниковой части. Вот почему ток в гетеропереходе уменьшается с увеличением количества ячеек в полупроводниковой части, как показано на рис. 3. На рис. 5а показаны спектры пропускания гетеропереходов M n H при ± 0,3 В. Для M1H интегральная площадь спектра пропускания в окне смещения при 0,3 В лишь немного превышает -0,3 В. Следовательно, ток 0,3 В лишь немного превышает -0,3 В, а RR составляет всего 3 при смещении 0,3 В. Однако для M5H и M10H интегральная площадь спектра пропускания при положительном смещении в окне смещения значительно больше, чем при отрицательном смещении. Это приводит к тому, что ток M5H и M10H при положительном смещении больше, чем при отрицательном, а RR намного больше, чем M1H. На рис. 5б показаны спектры пропускания M ^′ нет H при ± 0,3 В. Из рисунка видно, что спектры пропускания M ^′ нет H в окне смещения почти такие же, как M n H. Следовательно, при одинаковом напряжении смещения ток и RR M ^′ нет H и M n H примерно одинаковы (см. Рис. 3б, д). Спектры пропускания M n N при ± 0,9 В показаны на рис. 5в. Поскольку коэффициенты пропускания в окне смещения слишком малы, мы увеличиваем спектры пропускания в окне смещения и прикрепляем его в качестве вставки к правой нижней части рис. 5c. Тенденция спектра пропускания M1N в окне смещения аналогична тенденции M1H и M ^′ 1H. Следовательно, RR M1N также невелик. Для M5N и M10N общая площадь спектра пропускания при положительном смещении в окне смещения намного больше, чем площадь при отрицательном смещении. Следовательно, по сравнению с M1N, асимметричные характеристики этих I - V кривые более очевидны. Это означает, что у них большой коэффициент выпрямления. Стоит отметить, что RR M10N может достигать 240, что является лучшим среди трех типов гетероперехода.

Спектры пропускания гетеропереходов а М н H при смещении ± 0,3 В, b М ^′ нет H при смещении ± 0,3 В и c М н N при смещении ± 0,9 В с тем же выбором n в цветах линий для рис. 4, где на каждом рисунке верхняя / нижняя часть для передачи при положительном / отрицательном смещении. Две вертикальные (пурпурные) сплошные линии обозначают окно смещения. На вставке к рис. 5c показано усиление спектров пропускания в окне смещения

Чтобы более интуитивно объяснить спектр передачи на рис. 5, мы показываем собственное состояние передачи M5H и M ^′ 5 часов при V =0,3 В, E =- 0,15 эВ и В =- 0,3 В, E =0,15 эВ на рис. 6а и б соответственно. И собственное состояние передачи M5N при V =0,9 В, E =- 0,45 эВ, и V =- 0,9 В, E =0.45 эВ показаны на рис. 6в [15, 16, 49]. Анализ собственного состояния передачи может быть получен путем линейного комбинирования распространяющихся блоховских состояний \ (\ sum _ {m} C_ {a, m} \ psi _ {m} \). C _{а , м} может быть получено из диагонализации матрицы передачи, т. е. \ ({\ sum \ nolimits} _ {n} T_ {mn} C_ {a, n} \) = λ _а C _{а , м} , где λ _а - собственное значение передачи. Как видно из рис. 6, для всех гетеропереходов собственное состояние пропускания при отрицательном смещении находится в металлической части (непассивированный Z α БНР и 1H-Z α БНР). При положительном смещении собственное состояние передачи в основном локализовано в левой части. Однако он образует канал передачи в гетеропереходе. Электроны могут переноситься с левого электрода на правый. Следовательно, в окне смещения коэффициент передачи при положительном смещении больше, чем при отрицательном смещении. Сравнивая рис. 6a с b, можно видеть, что собственное состояние передачи M ^′ 5H и M5H лишь немного отличаются. Таким образом, гетеропереходы M ^′ 5H и M5H имеют почти одинаковые коэффициенты передачи в окне смещения. Кроме того, для M5N, поскольку ширина запрещенной зоны полупроводниковой части увеличивается, что приводит к более значительному электронному разбросу в гетеропереходе. Следовательно, только несколько собственных состояний передачи могут быть переданы на правую сторону. Это привело к коэффициенту передачи M n N в окне смещения меньше, чем у двух других типов гетероперехода. Между тем, при том же смещении ток M n N - наименьший из трех типов гетеропереходов.

Собственные состояния передачи для гетероперехода a M5H при смещении - 0,3 В с E =0,15 эВ (верхний) и при смещении 0,3 В с E =- 0,15 эВ (ниже), b М ^′ 5H при - 0,3 В с E =0,15 В и при 0,3 В с E =- 0,15 эВ и c M5N при смещении =- 0,9 В с E =0,45 эВ и 0,9 В с E =- 0,45 эВ соответственно. Значения фиксированы и равны 0,2 Å ⁻³ . е V ^-1 для всех собственных состояний

Наконец, для дальнейшего изучения влияния левой и правой нанолент на транспортные свойства с гетеропереходами, на рис. 7 показана прогнозируемая плотность состояний (PDOS) трех типов гетеропереходов. Из рис. 7а видно, что спектры PDOS, вносимые левыми электродами (непассивированный Z α BNR) переходов M1H, M5H и M10H, перекрывающихся друг с другом вблизи уровня Ферми. Это указывает на то, что на PDOS, вносимый левым электродом, почти не влияет удлинение полупроводниковой наноленты (2H-Z α BNR) в центральной области рассеяния. Однако спектры PDOS, вносимые правым электродом (2H-Z α BNR) имеет щель вблизи уровня Ферми. Это вызвано наличием запрещенной зоны вблизи уровня Ферми правого электрода (см. Рис. 3c). Влияет на расширение промежуточной области рассеяния 2H-Z α BNR, спектры PDOS, вносимые правыми электродами переходов M1H, M5H и M10H, сильно отличаются друг от друга в диапазоне энергий вне запрещенной зоны. Поскольку существенной разницы между двумя электродами для гетероперехода M ^′ нет. нет H и M n H правый электрод такой же, а левый электрод представляет собой металлическую ленту. Итак, PDOS M ^′ нет H и M n H примерно такие же вблизи уровня Ферми, как показано на рис. 7а, б. Это одна из причин, почему спектр передачи I - V кривые и RR M n H и M ^′ нет H аналогичны при низком смещении [см. Рис. 3 и 5]. На рис. 7c мы представляем PDOS M n N. Из-за увеличения ширины запрещенной зоны полупроводниковой части в гетеропереходе влияние левого электрода на свойства передачи становится меньше. Следовательно, PDOS перекрывают друг друга в большем диапазоне энергий вблизи уровня Ферми. В спектре PDOS, вносимого правым электродом, существует щель в диапазоне энергий (- 0,5, 0,5) эВ. Они согласуются с положением щели с зонной структурой N −ZBNR. Из PDOS можно сделать вывод, что левый металлический электрод мало влияет на транспортные свойства промежуточной области рассеяния. Однако электрод полупроводниковой части справа имеет решающее значение для транспортных свойств промежуточной области рассеяния.

Прогнозируемая плотность состояний (PDOS) левого непассивированного электрода ZBNR (верхний) и правого электрода (1H-Z α BNR, 2H -ZBNR или N-Z α BNR) (нижний) для a М н H, b М ^′ нет H и c М н N с таким же выбором n в цвете линий для рис. 5 соответственно

Выводы

Таким образом, мы изучили транспортные свойства α -Борофеновые гетеропереходы трех типов. Мы обнаружили, что три типа гетеропереходов проявляют поведение выпрямления, среди которых коэффициент выпрямления гетероперехода Z α BNR / N-Z α BNR может достигать 240. Более того, с увеличением количества элементарных ячеек в центральной полупроводниковой части эффект выпрямления становится более очевидным. Происхождение поведения выпрямления раскрывается и обсуждается путем анализа спектров пропускания и собственных состояний при положительном / отрицательном смещении. Выпрямительное поведение гетеропереходов сильно зависит от ширины запрещенной зоны нанолент в полупроводниковой части. Этот вывод был дополнительно подтвержден анализом PDOS, вносимого левым и правым электродами. Наши результаты открывают новые возможности для проектирования выпрямительных электронных устройств.

Доступность данных и материалов

Дизайн нанопереходов и вычислительные расчеты были выполнены компанией ATK.

Сокращения

2D:

Двумерный

TMD:

Дихалькогениды переходных металлов

GMR:

Гигантское сопротивление магнето

отчет о недоставке:

Отрицательное дифференциальное сопротивление

DFT:

Функциональная теория плотности

Z α BNR:

Зигзагообразный край α -борофеновые наноленты

H:

Атом водорода

N:

Атом азота

1H-Z α BNR:

Z α БНР с ребром, пассивированным одним водородом

2H-Z α BNR:

Z αBNR с ребром, пассивированным двумя атомами водорода

N-Z α BNR:

Z α БНР с краевыми атомами бора, замененными на атом азота

E _F :

Уровень Ферми

ATK:

Набор инструментов Atomistix

NEGF:

Неравновесная функция Грина Келдыша

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

GGA:

Обобщенное приближение градиента

BZ:

Борилловская зона

I - V кривые:

Кривые "ток-напряжение"

RR:

Коэффициент ректификации

PDOS:

Прогнозируемая плотность состояний