Повышение выпрямления в гетеропереходах наноленточек α-борофена за счет пассивации краев

Аннотация

Предложена планарная модель гетероперехода на основе наноленточек α-борофена и изучены его электронно-транспортные свойства. Рассмотрены три типа гетеропереходов, каждый из которых состоит из двух зигзагообразных наноленточек α-борофена (Z αBNR): одна металлическая — с непассивированными краями или пассивированными одним атомом водорода (1H-Z αBNR), другая — полупроводниковая с пассивацией двумя атомами водорода (2H-Z αBNR) или одним атомом азота (N-Z αBNR). С помощью первопринципных расчетов в сочетании с неравновесной функцией Грина показано, что выпрямляющие характеристики сильно зависят от атомной структуры перехода. Коэффициент выпрямления практически не меняется при замене левой металлической ленточки с ZBNR на 1H-Z αBNR. Однако он возрастает с 120 до 240 при замене правой полупроводниковой ленточки с 2H-Z αBNR на N-Z αBNR. Эффект выпрямления микроскопически объясняется степенью согласования электронных зон двух частей перехода. Результаты указывают на потенциал борефеновых гетеропереходов для выпрямляющих наноустройств.

Введение

За последние десятилетия множество двумерных (2D) материалов — графен,силицен, дихалкогениды переходных металлов (TMD), фосфорен — интенсивно изучаются благодаря уникальным свойствам. Они демонстрируют интересные электронно-транспортные явления: гигантское магнитосопротивление (GMR), отрицательное дифференциальное сопротивление (NDR), спин-фильтрацию, выпрямление — с потенциалом для наноэлектронных устройств. Недавно показаны перспективы 2D материалов в нанотермоэлектрике. Исследование латеральных гетеропереходов на базе 2D материалов стало важной темой. Теоретические работы предсказали их применение в полевых транзисторах и CMOS-технологиях. Экспериментально уже получены латеральные гетеропереходы атомной толщины. Эти достижения стимулируют поиск более подходящих 2D материалов для гетеропереходов.

Недавно монослои борефена привлекли внимание после графена исилицена. Теоретически предсказана стабильность боридных слоев на металлических подложках, подтвержденная экспериментом. Эпитаксиальный рост на Ag(111) дал ряд 2D боридных структур: β₁₂-, χ₃-, δ₆-борефен, медовидный борефен. Введение гексагональных отверстий повышает стабильность. DFT показывает, что борефен с плотностью гексагональных отверстий η=1/9 (α-борефен) энергетически выгоден. Зигзагообразные наноленточки α-борефена (Z αBNR) демонстрируют металлическое или полупроводниковое поведение в зависимости от модификации краев. Несмотря на многочисленные исследования электронной структуры, механических и термических свойств, транспортные свойства борефеновых наноструктур требуют дальнейшего изучения.

В работе исследуются транспортные свойства гетеропереходов из зигзагообразных Z αBNR. Построены три типа плоских металл-полупроводниковых латеральных переходов. Все переходы проявляют выпрямление в области низких смещений из-за асимметрии левой и правой частей и наличия границы в области рассеяния. Выпрямление усиливается с увеличением числа элементарных ячеек в полупроводниковой части. Транспортные свойства сильно зависят от правой полупроводниковой наноленточки. Это связано с запрещенной зоной у уровня Ферми в полупроводнике: рост зоны снижает вероятность туннелирования электронов, уменьшает ток и повышает коэффициент выпрямления. В частности, для перехода M10N коэффициент достигает ~240, что сопоставимо с ранее изученными гетеропереходами с графитовыми электродами и указывает на потенциал для выпрямляющих устройств. Структура статьи: раздел «Модель и вычислительные методы» — вычислительные детали; «Результаты и обсуждение» — транспортные свойства; «Заключение» — итоги.

Модель и вычислительные методы

Единичные ячейки рассматриваемых Z αBNR без и с модификацией крайних вершинных атомов показаны на рис. 1 (верх): (а) непассивированная Z αBNR; (б–в) краевые боровые атомы пассивированы одним водородом (1H-Z αBNR), двумя водородами (2H-Z αBNR) или замещены азотом (N-Z αBNR). Ниже — соответствующие зонные структуры. На рис. 1а: несколько зон pristine Z αBNR пересекают уровень Ферми (E_F) — металлическое поведение. Для 1H-Z αBNR частично свисающие связи насыщены H, число зон у E_F меньше, но поведение металлическое. Для 2H-Z αBNR E_F попадает в промежуток между связывающей и антисвязывающей зонами из-за насыщения двух H — полупроводник с прямой запрещенной зоной 0,43 эВ в Γ-точке (рис. 1c). Результаты согласуются с предыдущими расчетами. Для N-Z αBNR (рис. 1d) — полупроводник с непрямой запрещенной зоной 1,0 эВ, что связано с замещением B на N, привносящим электроны для заполнения связывающих орбиталей.

Построены три модели металл/полупроводник латеральных гетеропереходов. Каждый делится на три части: левый электрод, правый электрод, центральная область рассеяния. Геометрия на рис. 2: левый электрод — полубесконечная непассивированная Z αBNR или 1H-Z αBNR; правый — полупроводниковая 2H- или N-Z αBNR. Центральные области: (а) ячейка Z αBNR + n ячеек 2H-Z αBNR (M_nH); (б) 1H-Z αBNR + n ячеек 2H-Z αBNR (M'_nH); (в) Z αBNR + n ячеек N-Z αBNR (M_nN), где n = 1, 2, 5, 8, 10. На рис. 2 показана схема для n=1.

Расчеты выполнены в пакете Atomistix ToolKit (ATK), основанном на DFT в сочетании с неравновесной функцией Грина Кеldiша (NEGF). Функционал PBE в GGA для обмена-корреляции. Зона Бриллюэна: сетка k-точек 1×1×100 Monkhorst-Pack, отсечение по энергии 150 Ry. Геометрия релаксирована до силы <0,01 эВ/Å. Вакуумный слой ≥15 Å для исключения взаимодействия периодических образов.

Ток через гетеропереход при смещении V по формуле Ландауэра-Бюттикера: I(V) = (2e/h) ∫ T(E,V)[f_L(E,V) - f_R(E,V)] dE. Коэффициент прохождения: T(E,V) = Tr[Γ_L(E,V) G(E,V) Γ_R(E,V) G^†(E,V)], где G, G^† — ретардированная и адвансированная функции Грина, Γ_L/R — матрицы связи области рассеяния с электродами.

Результаты и обсуждение

Вольт-амперные характеристики (I-V) трех типов гетеропереходов в диапазоне ±1,0 В показаны на рис. 3а–с. При положительном смещении ток быстро растет во всех типах; при отрицательном — медленнее. Кривые I-V асимметричны во всем диапазоне — переходы выпрямляют. Причина: асимметрия наноленточек слева и справа и формирование границы в области рассеяния. Коэффициент выпрямления RR(V) = |I(+V)|/|I(-V)|. Расчетные RR для M_nH, M'_nH, M_nN в диапазоне 0,1–0,5 В на рис. 3d–f. Для M_nH: RR M1H = 3 при 0,2 В, M10H достигает 115. Для M'_nH: M'1H = 3, M'10H = 90. Для M_nN: M1N = 2 при 0,3 В, M10N = 240. Ток и RR управляются размером полупроводниковой части: с ростом n ток падает, RR растет. Правая сторона — полупроводник с запрещенной зоной; вероятность туннелирования экспоненциально убывает с длиной полупроводника. Результаты согласуются с предыдущими исследованиями гетеропереходов на других 2D материалах.

Сравнение I-V и RR трех типов (рис. 3): M_nH и M'_nH имеют похожие тренды, M_nN — существенно отличается. Для объяснения рассчитаны спектры прохождения при нулевом смещении (рис. 4) с зонами левого и правого электродов. Во всех переходах есть промежуток прохождения у уровня Ферми (малиновые пунктиры). Причина: зона правого электрода имеет промежуток у E_F, зоны левого и правого не согласованы — транспортный канал закрыт, электроны левого электрода не достигают правого. Это физическая природа слабого тока при низких смещениях. Сравнение рис. 4а, б и 4а, в: спектры M_nH и M'_nH похожи; M_nH и M_nN — различаются. Определяется степенью согласования зон у E_F. Замена левого металлического Z αBNR на 1H-Z αBNR (M'_nH vs M_nH) почти не меняет согласование. Замена правого 2H-Z αBNR на N-Z αBNR (M_nN vs M_nH) увеличивает запрещенную зону с 0,43 до 1,0 эВ, снижая согласование. Вывод: изменение левой металлической части мало влияет на транспорт; изменение правой полупроводниковой — сильно.

Для детального понимания выпрямления рассчитаны спектры прохождения при определенных смещениях (рис. 5): верх/низ — положительное/отрицательное смещение. По формуле Ландауэра-Бюттикера ток пропорционален интегральной площади спектра в окне смещения. Общая тенденция: площадь в окне уменьшается с ростом n в полупроводниковой части — поэтому ток падает (рис. 3). Рис. 5а: M_nH при ±0,3 В. Для M1H площадь при +0,3 В лишь слегка больше, чем при -0,3 В — RR=3. Для M5H, M10H площадь при положительном смещении значительно больше — большой RR. Рис. 5б: M'_nH при ±0,3 В — спектры почти идентичны M_nH, поэтому ток и RR почти те же. Рис. 5в: M_nN при ±0,9 В (вставка — увеличение окна). Тренд M1N похож на M1H — малый RR. Для M5N, M10N площадь при положительном смещении намного больше — более выраженная асимметрия I-V, большой RR. Максимум RR=240 для M10N — лучший среди трех типов.

Для наглядности показаны собственные состояния прохождения (рис. 6): M5H и M'5H при V=±0,3 В (E=∓0,15 эВ); M5N при V=±0,9 В (E=∓0,45 эВ). Анализ через линейную комбинацию распространяющихся состояний Блоха. Для всех переходов при отрицательном смещении собственное состояние локализовано в металлической части (Z αBNR или 1H-Z αBNR). При положительном — преимущественно в левой части, но формируется проходной канал через переход — электроны переносятся из левого в правый электрод. Поэтому коэффициент прохождения в окне смещения при положительном V больше, чем при отрицательном. Сравнение рис. 6а и б: M'5H и M5H слегка отличаются — коэффициенты прохождения в окне почти одинаковы. Для M5N из-за большей запрещенной зоны происходит более сильное рассеяние — лишь малая часть собственных состояний проходит вправо. Коэффициент прохождения M_nN в окне меньше других типов, ток при том же смещении — наименьший.

Для дальнейшего анализа влияния левых и правых наноленточек показана спроецированная плотность состояний (PDOS) трех типов (рис. 7). Рис. 7а: PDOS левых электродов (непассивированная Z αBNR) для M1H, M5H, M10H совпадают у E_F — левая часть не влияет на расширение полупроводника в области рассеяния. PDOS правых электродов (2H-Z αBNR) имеет промежуток у E_F (соответствует зонной структуре). Расширение 2H-Z αBNR в области рассеяния сильно меняет PDOS правых электродов вне зоны. Для M'_nH и M_nH электроды аналогичны (правый одинаковый, левый металлический) — PDOS у E_F почти одинаковы (рис. 7б). Это объясняет сходство спектров прохождения, I-V и RR при низких смещениях. Рис. 7в: PDOS M_nN. Из-за роста запрещенной зоны влияние левого электрода на транспортные свойства области рассеяния слабеет — PDOS левых электродов совпадают в более широком диапазоне у E_F. PDOS правого электрода имеет промежуток в диапазоне (-0,5, 0,5) эВ, согласуется с зонной структурой N-Z αBNR. Из PDOS: левый металлический электрод мало влияет на транспорт области рассеяния; правый полупроводниковый — критически важен.

Заключение

Изучены транспортные свойства трех типов гетеропереходов на базе α-борефена. Все проявляют выпрямление; максимальный коэффициент выпрямления для Z αBNR/N-Z αBNR достигает 240. С ростом числа ячеек в центральной полупроводниковой части выпрямление усиливается. Природа выпрямления раскрыта через анализ спектров прохождения и собственных состояний при ±V. Выпрямление сильно зависит от значения запрещенной зоны наноленточек в полупроводниковой части. Подтверждено анализом PDOS левых и правых электродов. Результаты открывают новые пути для проектирования выпрямляющих наноэлектронных устройств.