调优的电子性质硒化镓/硅烷范德瓦耳斯由外部电场和应变异质结构:第一原理研究

文摘

硒化镓/硅的电子结构(硒化镓/硅)范德瓦耳斯就是secu * tanu减去vdW()异质结构垂直电场和通过第一原理计算应变进行了研究。异质结构的间接带隙特性的范围(−1.0−0.4)V /和直接带隙特性范围−0.3、0.2 V /。此外,ⅱ型i型乐队对齐转变出现在−−0.7和0.3 V /。此外,就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结二型乐队对齐不堪重负,但间接直接带隙半导体转变发生在−3%。这些结果表明,硒化镓就是secu * tanu减去vdW /硅异质结构可以应用于新型纳米电子和光电设备。

1。介绍

自从由诺沃肖洛夫成功剥离石墨烯等人2004年,已经有强烈的研究兴趣领域的二维(2 d)材料凝聚态物理(1]。大量的二维材料,如silicene [2- - - - - -5],germanane [6),过渡金属卤化物(7),过渡金属硫属化合物(8- - - - - -10),过渡金属dichalcogenides (tmd) [11- - - - - -15),金属和半导体单层的知名度较低的家庭monochalcogenides (MX, M = Ga, X =年代Se) (11- - - - - -19已报告。然而,每个2 d材料都有自己的优点和缺点;因此,一个材料不能被广泛应用于各个领域。例如,石墨烯的zero-band差距特征限制其应用于开关设备;相比之下,BN是一个典型的绝缘子与一个非常大的带隙(20.- - - - - -22]。为了克服这个问题,最近的研究报道,两个不同的二维材料可以垂直叠放构造一个范德瓦耳斯就是secu * tanu减去vdW()异质结构,不仅保留了原始的二维材料的优良特性,但也可能就是secu * tanu减去vdW提出新颖的物理性质,因为部队之间的两层(23- - - - - -26]。这种方法开辟了新的方法来研究纳电子学、光电子设备;因此,它已成为一个领域的研究兴趣。

单层硒化镓是2 d MX家族的一员,通过化学气相沉积(制造的成功27)、脉冲激光沉积(28),和微机械乳沟技术(29日),随后被广泛研究[30.- - - - - -33]。报告从理论上证明了电子结构、运输和光学性质的硒化镓单层应用电场和敏感菌株(30.- - - - - -32]。此外,纳米电子和光电设备基于单层硒化镓高光敏反应和开/关比率已经成功地制造(31日,32]。这些理论和实验的研究预测,单层硒化镓是一种很有前途的候选人为纳米电子和光电应用程序。硅(硅),一个完全氢化silicene silicene一样的结构,但有一个很大的带隙2.93∼eV (34- - - - - -36]。大量研究表明,硅的电子能带结构可以通过统一调整拉伸应变和应用电场(36- - - - - -38]。此外,低et al。39)发现硅n-MOSFET提供了一个相对更好的当前性能比晶体管germanane和2 d TMD材料做的。这些特点使硅氮为电子和光电设备有前途的候选人。

此外,就是secu * tanu减去vdW大量异质结构与实验合成和从理论上提出近年来,包括BN /石墨烯(23),WS₂/金属氧化物半导体₂(40),金属氧化物半导体₂/氮化镓[41]。特别是硅氮之间的组合和硒化镓与其他二维材料,包括硒化镓/金属氧化物半导体₂(17],硒化镓/石墨烯、硅/ graphane和硅/氢化六角氮化硼也收到了重大利益的保护他们的有趣的电子特性和增强他们的光学性质(42,43]。例如,江et al。42]理论上发现的带隙硅/ graphane和硅/氢化六角氮化硼可以调整从半导体应用电场下的金属。与此同时,范教授等。44表明硒化镓/金属氧化物半导体₂vdW异质结构是一种间接带隙半导体的带隙1.91 eV和ⅱ型乐队对齐。此外,许多研究小组已经成功地合成硒化镓原子层/金属氧化物半导体₂范德瓦耳斯异质结构和应用他们的光响应调制二极管(45,46]。这些报告表明硒化镓就是secu * tanu减去vdW - SiH-based半导体异质结构是有前途的2 d高电子和光电nanodevices新颖应用潜力。然而,到目前为止,还没有报道关注的结合硒化镓与硅层及其电子结构,以及电场和应变的影响。因此,这项工作就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构的设计和调查研究通过第一原理计算其电子结构。电场和应变对电子结构的影响就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构也被考虑。

2。计算方法

优化的结构和电子结构就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构是通过采用基于获得的计算基于密度泛函理论。的广义梯度近似Perdew-Burke-Ernzerhof功能(47,48)是用于晶体结构弛豫,午睡的一部分代码(49,50]。范的伪势被用来解决Kohn-Sham方程。截止能量被设定为100 Hatree,和布里渊区取样K网9×9×1被选中。获得更准确的结果,一个K网格采用11×11×1的能带结构计算。放松,能量则被设置为10⁻⁴电动汽车,残余力小于−0.05 eV /。真空层厚度20将避免与邻近其他交互层。重要的是,就是secu * tanu减去vdW长程相互作用就是secu * tanu减去vdW必须持有了异质结在一起。之所以选择这里,vdW-DF3功能描述远程电子相关效应(51]。

3所示。结果与讨论

3.1。优化结构和地层能量

首先,我们最初的单层硅氮和硒化镓进行优化。优化后的晶格常数的硅和硒化镓分别为3.889和3.847,这与已有的理论和实验值相一致(35,37,38,52- - - - - -54]。因此,我们建立了使用一个单位就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结电池的硅和硒化镓。晶格失配被定义为 在哪里一个₁和一个₂分别代表硅的晶格常数和硒化镓。计算结果只是∼1.1%,表明就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构可以很容易地用很少的界面制作的压力。因此,我们建立了六个可能的异质结构叠加配置发现地面结构,如图1(一)-1(f))我贴上模型模型VI。

就是secu * tanu减去vdW分析硅氮和硒化镓层之间的相互作用,形成能量(E_f)被定义为 在哪里E_f代表就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构的形成能和E_{硅/硒化镓}E_硅氮和E_硒化镓代表就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构的总能量,硅,和硒化镓单层。的计算值E_f表中列出1。所有的计算E_f值为负,表明所有的六个叠加配置稳定从能源的角度来看。其中,构象模型V是地面结构,因为它形成最低能量。此外,我们列出了界面的距离(Δ,如图1(f))在表1。构象模型V的最小距离,表明V地面结构的构象模型。因此,在以下部分中,我们只关注构象模型V。

接下来,我们计算了硅的能带结构,硒化镓,就是secu * tanu减去vdW和硒化镓/硅异质结构,如图2。硅的最低导带(CBM)是位于米点在二维的六角形布里渊区,而价带最大(VBM)是位于Γ点;这表明,原始硅是间接带隙半导体,相应的带隙2.184 eV,符合论文的结果由王等人Guzman-Verri et al。38,55,56]。硒化镓的CBM是位于Γ点,而VBM的线Γ-M接近Γ点;这表明形成的一种间接带隙的半导体1.871 eV。计算带隙值与理论值的1.60和1.77 eV获得PBE方法(52- - - - - -54]。乐队结构就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构如图所示2 (c)。VBM和煤层气的就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构位于Γ点,表明直接带隙的半导体0.558 eV。此外,VBM的主要群体是来自硅层,从硒化镓层和煤层气有贡献,即。,代表二型乐队对齐(57- - - - - -60]。了解电子结构就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构的细节,我们绘制的能带对齐就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构,如图2 (d)。乐队的硅和硒化镓(1.875−0.313)电动汽车和电动汽车(0.245−1.319),分别。CBM和VBM的硒化镓低于硅,这也进一步验证了二型乐队就是secu * tanu减去vdW对齐的硒化镓/硅异质结构。此外,我们发现有一个小的差异我们研究与之前的研究,因为我们使用了不同的软件包。此外,我们还发现,这些带隙值小于获得通过HSE方法因为PBE方法低估了带隙。标准的PBE功能启用正确的趋势的预测带结构,恰当地展示他们的物理机制。因此,为了节省计算负载,我们使用PBE执行电子结构的计算方法就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构在外加电场和应变。

3.2。外部电场效应

之前报道的理论和实验结果表明,应用电场可以显著影响就是secu * tanu减去vdW乐队结构的异质结构,我们研究了电子结构就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构在垂直电场(38,61年- - - - - -66年]。电场垂直于就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构,和正方向的电场对硒化镓是硅。外部电场的范围是−1.0、1.0 V /,和步长为0.1 V /。电场的影响带边缘,带隙,就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构的带隙结构如图3和图S1。VBM来自硒化镓和煤层气来自硅在的范围(−1.0−0.7)V / VBM和煤层气源自硒化镓在的范围(−0.6−0.4)V / VBM来自硅氮和煤层气源自硒化镓的范围在−0.3、0.2 V /。就是secu * tanu减去vdW这些结果表明,硒化镓/硅异质结有ⅱ型乐队对齐的范围(−1.0−0.7)和−0.3、0.2 V /一个,虽然它有i型乐队对齐的范围(−0.6−0.4)V /。此外,VBM躺在Γ-M线和接近Γ点的范围(−1.0−0.4)V / A和位于Γ点在−0.3、0.2 V /。煤层气是位于米点的范围(−1.0−0.6)V / A和位于Γ点在−0.5、0.2 V /。就是secu * tanu减去vdW这些数值结果表明,硒化镓/硅异质结是一个间接带隙半导体的−1.0−0.4 V /一个,虽然它是一种直接带隙半导体的−0.3、0.2 V /。此外,金属半导体接触相变发生在0.3 V /。就是secu * tanu减去vdW总之,硒化镓/硅异质结是一个间接带隙半导体与ⅱ型乐队对齐的范围(−1.0−0.7)V / a,一个间接带隙semic \线路与i型乐队对齐的范围(−0.6−0.4)V / a,直接带隙半导体与ⅱ型乐队对齐的−0.3、0.2 V /,然后改变到金属状态。这些结果表明,硒化镓就是secu * tanu减去vdW /硅异质结能带结构可变的应用电场。

3.3。应变效应

应变也被影响就是secu * tanu减去vdW电子结构的异质结构(38,63年- - - - - -68年]。在这里,我们研究了影响inplane双轴应变的电子结构就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构。的inplane双轴应变就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构被改变晶格参数模拟,然后按照下列公式计算: 在哪里一个₀和一个晶格参数不牵强附会的和紧张的条件下,分别。外部压力应用于−5%到5%的范围在1%的步骤。应变影响带边缘,带隙和电子结构就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构如图所示4和图S2。越来越紧张的带隙增加的范围(−−5%,4%),然后随应变的增加而降低(−3%、5%)。VBM是位于Γ点在整个范围内,而煤层气是位于米点的范围(−−5%,4%)和Γ点的范围(−3%、5%)。此外,VBM来自硅,煤层气是来自硒化镓。因此,就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结了ⅱ型带对齐不堪重负。就是secu * tanu减去vdW上述结果表明,硒化镓/硅异质结是一种间接带隙半导体与ⅱ型乐队对齐的范围(−−5%,4%),虽然它是一种直接带隙半导体与ⅱ型乐队对齐(−3%、5%)的范围。这项工作的结果表明,硒化镓的电子结构就是secu * tanu减去vdW /硅异质结构可以有效地调节压力。

4所示。结论

总之,就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构的电子结构在外加电场,通过采用基于应变测定计算。就是secu * tanu减去vdW我们观察硒化镓/硅异质结是一个间接带隙半导体与ⅱ型乐队对齐的范围(−1.0−0.7)V / i型带的间接带隙半导体对齐的(−0.6−0.4)V / a,直接带隙半导体与ⅱ型乐队对齐的−0.3、0.2 V /,然后它的金属状态转换。就是secu * tanu减去vdW此外,硒化镓/硅异质结是一个间接带隙半导体与ⅱ型乐队对齐的范围(−−5%,4%),虽然这是一种直接带隙半导体二型乐队对齐的(−3%、5%)。结果表明,硒化镓的可调带隙就是secu * tanu减去vdW /硅异质结构提供了一个有前途的大道为制造新颖的纳米电子和光电设备。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢阿伦Paraecattil博士从梨纹Bianji Edanz编辑、中国(http://www.liwenbianji.cn/ac),编辑英语文本草案的手稿。

补充材料

图1:就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构的带隙结构在电场的作用下与步骤0.1 V /。上从左到右水平−−0.1 V / 1,而低水平从左到右的顺序是1 V / 0.1。蓝线代表了硒化镓,红线代表硅。图2 s:就是secu * tanu减去vdW硒化镓/硅异质结构的带隙结构下inplane双轴应变措施的1%;从左到右,菌株−5%到5%。蓝线代表了硒化镓,红线代表硅。(补充材料)

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