Настраиваемые электронные свойства двуслойного α-GeTe при переменном межслойном расстоянии и внешних электрических полях

Аннотация

Методом расчетов из первых принципов мы систематически исследуем стабильность, электронную структуру, оптическое поглощение и настраиваемость двуслойного α-GeTe через изменение межслойного расстояния и приложение внешних электрических полей. Ван-дер-Ваальсовый двуслой демонстрирует непрямую запрещенную зону 0,610 эВ, указывая на эффективные способности к сбору света. При уменьшении межслойного расстояния запрещенная зона линейно сужается из-за усиленных ВДВ взаимодействий. Под положительными электрическими полями возникает состояние ближнего к свободному электронному газу (NFEG), вызывающее переход запрещенной зоны; этот эффект отсутствует под отрицательными полями. Эти уникальные свойства делают двуслойный α-GeTe перспективным кандидатом для будущих электронных и оптоэлектронных приборов, включая потенциальные архитектуры хранения данных.

Введение

Открытие графена ускорило исследования широкого спектра 2D-материалов: гексагональный нитрид бора (h-BN), дихалькогениды переходных металлов (TMDs), MXены, ВДВ гетероструктуры. Они предлагают настраиваемые электронные свойства и исключительную механическую гибкость, позволяя разноплановые электронные и оптоэлектронные применения. Однако остаются проблемы: фосфорен деградирует на воздухе, индиевый селенид (InSe) показывает низкую дырную подвижность и слабое поглощение видимого света, графен,силицен и германин имеют нулевую запрещенную зону. Таким образом, идентификация 2D-полупроводников с надежной стабильностью, высокой подвижностью и подходящими запрещенными зонами — необходимо.

Объемный α-GeTe, IV-VI полупроводник с наклонными слоями, связанными Ge-Te связями, применяется в энергонезависимой фазовой памяти, нейроморфных вычислениях и термоэлектрике. Наноструктурированный α-GeTe фабрикали через АЛД, VLS-рост и полимер-стабилизированные химические методы, демонстрируя более высокие температуры кристаллизации и более низкие температуры плавления объемного. Недавно малослойные α-GeTe листы (2–4 слоя) и даже монослои получены ультразвуковой жидкофазной эксфолиацией α-GeTe порошка в этаноле. Несмотря на прогресс, теоретические исследования зонной инженерии 2D α-GeTe внешними электрическими полями или вертикальным напряжением редки. Поскольку многослойные структуры экспериментально доступнее монослоев, это исследование фокусируется на двуслойном α-GeTe — простейшей многослойной конфигурации — для оценки его стабильности, электронной структуры, оптического отклика и влияния межслойного расстояния и перпендикулярных электрических полей.

Вычислительные методы

Все расчеты используют спин-поляризованную DFT с PAW методом в VASP. Обмен-корреляция — PBE GGA, дополненная полуэмпирической DFT-D3 ВДВ коррекцией. Отсечение плосковолновое 500 эВ, k-точек сетка 15×15×1. Вакуумный зазор 30 Å вдоль c-оси предотвращает взаимодействие слабов. Структуры полностью релаксировали до сил <0,01 эВ/Å и сходимости энергии 10⁻⁵ эВ. Для точных запрещенных зон использовали гибридный функционал HSE06 для электронных и оптических свойств. Фононные дисперсии — DFPT в Phonopy с квазигармоническим приближением.

Результаты и обсуждение

Геометрическая структура

Монослой α-GeTe принимает гексагональную решетку с наклонной конфигурацией: Ge атомы занимают один подслой, Te — другой. Оптимизированные параметры: a=b=3,95 Å, длина связи Ge-Te L=2,776 Å, угол наклона θ=91,497°, в согласии с литературой. Для двуслоев рассмотрели две высокосимметричные стакировки — AA и AB (Бернал). Энергетические расчеты показывают, что AA конфигурация более стабильна на 147 мэВ, с межслойным расстоянием 2,920 Å. Фононные спектры AA двуслоя не показывают воображаемых частот, подтверждая динамическую стабильность (рис. 2). Экспериментальная работа уже показала синтез стабильного двухслойного α-GeTe, поэтому фокусируемся на AA стакировке.

Электронная структура

Зонная структура и PDOS монослоя α-GeTe (рис. 3a) показывают непрямую запрещенную зону 1,796 эВ, с CBM между M и Γ и VBM в Γ. CBM доминируют Ge-s, Ge-p, Te-p орбитали, VBM — Ge-p и Te-p состояния. Для двуслоя спроецированная зонная структура (рис. 3b) показывает непрямую зону 0,610 эВ. CBM вносит вклад нижний слой, VBM — верхний слой, подтверждая тип-II выравнивание зон. Анализ зарядной плотности (рис. 3c) указывает на пространственное разделение электронов (нижний слой) и дыр (верхний слой), обеспечивая эффективную диссоциацию экзитонов — преимущество для оптоэлектронных приборов.

Оптические свойства

Оптическое поглощение получено из комплексной диэлектрической функции ε(ω) стандартным соотношением α(ω)=√2 ω[√(ε₁²+ε₂²)−ε₁]¹/². Спектры поглощения (рис. 4): монослой α-GeTe показывает три выраженных пика, соответствующие межзонным переходам. Двуслой демонстрирует дополнительное поглощение в видимом и ближнем ИК, объемный α-GeTe — широкую высокоинтенсивную полосу поглощения от глубокого УФ до ИК с интенсивностями до 10⁵ см⁻¹. Это подчеркивает потенциал α-GeTe как эффективного светозабирающего материала.

Эффект вертикального напряжения

Вертикальное напряжение модулирует межслойное связывание и таким образом запрещенную зону. Мы варировали межслойное расстояние от 2,420 Å до 3,520 Å, вычисляя энергию связи E_b = E_бислоя − 2E_монослоя (рис. 5a). Все конфигурации связаны (E_b < 0), наиболее стабильное расстояние 2,920 Å. Запрещенная зона монотонно возрастает с межслойным расстоянием, общая топология зонной структуры не меняется (рис. 5b). Это поведение зеркалит наблюдаемое в двуслойном InSe и подчеркивает роль ВДВ взаимодействий и орбитального перекрытия в управлении электронными свойствами.

Эффект внешних электрических полей

Приложение перпендикулярного электрического поля дополнительно настраивает зонную структуру. Плоский дипольный слой вставляли в вакуумную область для задания поля, положительное направление от нижнего к верхнему слою. Запрещенная зона эволюционирует незначительно между 0,01 и 0,64 В/Å, но быстро линейно уменьшается ниже критического поля E_c и выше переходного поля E_t, ведуя к полупроводник-металл переходу (рис. 6). Критический-переходной диапазон (0,01–0,20 В/Å) для отрицательных полей значительно больше, чем для положительных (0,64–0,72 В/Å). Спроецированные зонные структуры (рис. 7) показывают: отрицательные поля сохраняют тип-II выравнивание, положительные индуцируют NFEG зону, которая быстро снижается в энергии. Когда E_app ≥ E_t (≈0,72 В/Å), NFEG зона сливается с VBM, давая металлическое поведение. Это поле-индуцированное NFEG явление отсутствует под отрицательным смещением, объясняя асимметрию модуляции зоны. Переходное напряжение для двуслойного α-GeTe более чем в два раза выше, чем для двуслойного InSe, указывая на большую устойчивость к поля-индуцированной металлизации.

На основе этих инсайтов предлагаем энергонезависимое устройство хранения данных. Двуслойный α-GeTe переносят на подложку Si/SiO₂ и инкапсулируют дополнительным слоем SiO₂ для защиты от окружающей среды. Крупногабаритные графеновые электроды служат истоком и стоком благодаря прозрачности и проводимости. В OFF состоянии двуслой остается полупроводником с высоким сопротивлением. Приложение достаточного положительного смещения (≥E_t) индуцирует NFEG, схлопывая запрещенную зону и давая нулевое сопротивление ON состояние, сохраняющееся после снятия поля. Обратное смещение стирает NFEG, восстанавливая OFF состояние. Этот реверсивный переключатель демонстрирует жизнеспособность двуслойного α-GeTe какFET-базированного элемента памяти.

Заключение

Мы показали, что двуслойный α-GeTe, стабилизированный ВДВ взаимодействиями, демонстрирует непрямое тип-II запрещенную зону 0,610 эВ и сильное оптическое поглощение в широком спектральном диапазоне. Запрещенная зона можно тонко настраивать вертикальным напряжением или перпендикулярными электрическими полями; особенно, только положительные поля генерируют NFEG состояние, схлопывающее зону. Эти свойства позволяют реверсивный поле-управляемый переход между полупроводниковым и металлическим фазами, прокладывая путь к двуслойным α-GeTe-базированным устройствам хранения данных. Сочетание эффективного разделения зарядов, широкого поглощения и поле-индуцированного NFEG делает двуслойный α-GeTe убедительным кандидатом для(next-generation) 2D электронных и оптоэлектронных технологий.

Аббревиатуры

2D

Двумерный

ALD

Атомно-слоевое осаждение

CBM

Минимум проводимой зоны

DFT

Теория функционала плотности

E_app

Приложенная сила электрического поля

FET

Полевой транзистор

GGA-PBE

Обобщенное градиентное приближение Пердева-Берка-Эрнцергофа

h-BN

Гексагональный нитрид бора

HSE06

Гибридный функционал Heyd-Scuseria-Ernzerhof

InSe

Индиевый селенид

MXenes

Карбиды и нитриды переходных металлов

NFEG

Ближнее к свободному электронному газу

PAW

Проекторный аугментированный волновой метод

PDOS

Проецируемая плотность состояний

TMDs

Дихалькогениды переходных металлов

VASP

Vienna ab initio simulation package

VBM

Максимум валентной зоны

vdW

Ван-дер-Ваальс

VLS

Паровой-твердотельный-жидкостной