Инженерия запрещенных зон в гетероструктурах ван-дер-Ваальса синий фосфорен/графено-подобный GaN с помощью вертикальных электрических полей

Аннотация

Расчеты по теории функционала плотности (DFT) показывают, что как однослойные, так и двухслойные гетероструктуры синего фосфорена/графено-подобного GaN (blue-P/g-GaN) с взаимодействием Ван-дер-Ваальса (vdW) являются полупроводниками с непрямым зазором и типом-II зонным выравниванием. Запрещенная зона (Eg) может быть линейно настроена внешним вертикальным электрическим полем (Eext), демонстрируя выраженный Старк-эффект. Когда поле превышает критическое значение (~0.9 эВ/Å для однослойной и ~0.7 эВ/Å для двухслойной структуры), гетероструктура переходит в металлическое состояние.

Введение

Двумерные (2D) материалы — графен, дихалкогениды переходных металлов, черный фосфорен, и недавно открытый графено-подобный GaN (g-GaN) — продолжают привлекать внимание благодаря выдающимся электронным и оптическим свойствам и потенциалу для наноэлектронных устройств следующего поколения. Синий фосфорен (blue-P), корругированный монослой фосфора, эпитаксиально выращен на Au(111) и GaN(001), обладает заметным зазором и высокой подвижностью носителей. g-GaN, синтезированный миграционно-усиленным инкапсулированным ростом, является полупроводником с непрямым зазором, эффективно модулируемым внешним электрическим полем. Близкое соответствие решеток (~2%) между blue-P и g-GaN делает vdW гетероструктуру blue-P/g-GaN привлекательной платформой для инженерии зонной структуры и изучения межслойного зарядопереноса.

Несмотря на интенсивные исследования гетероструктур blue-P/TMDC и blue-P/графен, мало известно об электронном поведении систем blue-P/g-GaN. Здесь мы используем vdW-скорректированный DFT для исследования зонной структуры, зонного выравнивания и поле-индуцированной модуляции зазора однослойных и двухслойных гетероструктур blue-P/g-GaN.

Вычислительные методы

Использовался пакет CASTEP для плоскостноволновых DFT расчетов с проектор-возделанной волновой (PAW) базисом. Обмен-корреляция — обобщенное градиентное приближение (PBE), зазор уточняли гибридным функционалом HSE06. vdW взаимодействия включены по схеме Гримме DFT-D2. Плоскостноволновой отсеч 500 эВ, сетка k-точек 7×7×1 для геометрической оптимизации; электронные состояния — 21×21×1. Вакуумный слой 20 Å по оси c исключал взаимодействие между периодическими образами. Релаксация до сил <0.001 эВ/Å.

Результаты и обсуждение

Оптимизированные решетчные константы монослойного blue-P и g-GaN: 3.25 Å и 3.20 Å, несоответствие ~2%. Равновесное межслойное расстояние 3.57 Å (монослой) и 3.52 Å (двуслой), энергии связи ≈49 мэВ — сравнимо с другими vdW системами (BP/графен).

Зонные структуры показывают непрямые зазоры 1.26 эВ (GGA) и 2.20 эВ (HSE06) для монослойной гетероструктуры, 1.075 эВ (GGA) / 1.91 эВ (HSE06) для двухслойной. Минимум проводимой зоны близко к точке M, максимум валентной зоны в K, подтверждая тип-II (застаггеренное) выравнивание. Разность рабочих функций между композитом и pristine blue-P: ΔEF = -1.17 эВ (монослой) и -0.81 эВ (двуслой), согласуется с наблюдаемыми зонными смещениями.

Приложение вертикального внешнего поля (Eext) модулирует Eg по Старк-подобной линейной зависимости. Для монослоя Eg растет с положительными полями до 0.5 эВ/Å, затем насыщается и уменьшается при поле >0.6 эВ/Å, замыкаясь при ≈0.9 эВ/Å. Двуслойная структура показывает похожий тренд, но достигает полупроводник-металл перехода при более низком поле (~0.7 эВ/Å). Отрицательные поля вызывают линейное уменьшение Eg, зазор исчезает около -0.8 эВ/Å (монослой) и -0.5 эВ/Å (двуслой).

Анализ плотности заряда показывает, что электрическое поле выталкивает электроны из blue-P в g-GaN при положительном смещении, и наоборот при отрицательном. Накопленный заряд максимален при ±0.5 эВ/Å, подтверждая поле-индуцированный зарядоперенос, лежащий в основе Старк-эффекта.

Проецированные плотности состояний (DOS) указывают, что VBM доминируется состояниями g-GaN, а CBM principalement из blue-P, укрепляя тип-II выравнивание.

Заключение

Расчеты от первых принципов демонстрируют, что монослойные и двухслойные blue-P/g-GaN vdW гетероструктуры — полупроводники с непрямым зазором и типом-II зонным выравниванием. Запрещенная зона может быть линейно настроена вертикальным электрическим полем, проявляя выраженный Старк-эффект, и структуры проходят контролируемый полупроводник-металл переход при поле >0.9 эВ/Å (монослой) или >0.7 эВ/Å (двуслой). Эти выводы дают четкий путь для проектирования электрически настраиваемых 2D оптоэлектронных устройств на базе blue-P/g-GaN гетероструктур.

Аббревиатуры

2D

Двумерный

Blue-P

Синий фосфорен

BP

Черный фосфорен

CASTEP

Cambridge Serial Total Energy Package

CBM

Минимум проводимой зоны

DFT

Теория функционала плотности

GGA

Обобщенное градиентное приближение

g-GaN

Графено-подобный GaN

MEEG

Миграционно-усиленный инкапсулированный рост

PAW

Проектор-возделанная волна

PBE

Передева-Берк-Эрнцергоф

TMDC

Дихалкогениды переходных металлов

VBM

Максимум валентной зоны

vdW

Ван-дер-Ваальс