Alkalimetaal-geadsorbeerde g-GaN-monolaag:ultralage werkfuncties en optische eigenschappen

Abstract

De elektronische en optische eigenschappen van aan alkalimetaal geadsorbeerd grafeenachtig galliumnitride (g-GaN) zijn onderzocht met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie. De resultaten geven aan dat aan alkalimetaal geadsorbeerde g-GaN-systemen stabiele verbindingen zijn, waarbij de meest stabiele adsorptieplaats het centrum van de hexagonale ring is. Bovendien vertoont de g-GaN-laag, vanwege de ladingsoverdracht van het alkalimetaalatoom naar de gastheer, een duidelijk n-type doteringsgedrag. De adsorptie van alkalimetaalatomen aan g-GaN vindt plaats via chemisorptie. Belangrijker is dat de werkfunctie van g-GaN aanzienlijk wordt verminderd na de adsorptie van alkalimetaalatomen. In het bijzonder vertoont het Cs-geadsorbeerde g-GaN-systeem een ultralage werkfunctie van 0,84 eV, wat een grote potentiële toepassing is in veldemissie-apparaten. Bovendien kan de alkalimetaaladsorptie leiden tot een verhoging van de statische diëlektrische constante en het absorptiespectrum van g-GaN verlengen.

Achtergrond

Vergeleken met traditionele halfgeleidermaterialen is driedimensionaal GaN een halfgeleidermateriaal met een brede bandgap [1]. Als zodanig kan het de werking van apparatuur bij ultrahoge spanning, frequentie of temperatuur mogelijk maken en vertoont het een hoge lichtopbrengst, goede thermische geleidbaarheid, hoge temperatuurbestendigheid, weerstand tegen zuren en alkaliën en anti-stralingseigenschappen. Als een opto-elektronisch materiaal heeft driedimensionaal GaN potentiële toepassingen in laserprinten en compact discs met een hoge opslagdichtheid, wat mogelijk een sterke invloed heeft op de technologie van computeropslag [2]. De afgelopen jaren hebben tweedimensionale (2D) materialen veel aandacht gekregen vanwege hun fascinerende optische, mechanische, elektronische en magnetische eigenschappen en potentieel voor multifunctionele toepassingen [3,4,5,6,7,8,9]. 2D-materialen zijn veel dunner dan bulkmaterialen en de mechanische, elektronische, thermische en optische eigenschappen van dergelijke materialen verschillen aanzienlijk van die van hun bulktegenhangers [10]. In het bijzonder is 2D GaN een materiaal met een brede bandgap met verbeterde opto-elektronische prestaties. Zeer recentelijk werd het gesynthetiseerd via een door migratie versterkte ingekapselde groeitechniek [11].

Het bestuderen en begrijpen van de interactie tussen atomen op vaste oppervlakken is een van de fundamentele wetenschappelijke problemen op het gebied van oppervlaktefysica. Daarom is het beheersen van dergelijke zelfassemblerende structuren belangrijk voor de ontwikkeling van nanodevices. Atomen die op een vast oppervlak zijn geadsorbeerd, kunnen indirect interageren via elektronenverstrooiing of elastische vervorming van het substraat, waarbij de atomaire interactie op lange afstand die wordt gemoduleerd door het substraat een belangrijke rol speelt bij atomaire zelfassemblage. Omdat alkalimetaalatomen gemakkelijk elektronen kunnen verliezen, kan de adsorptie van alkalimetalen op halfgeleidermaterialen ze veranderen in n-type, wat op zijn beurt hun werkfunctie zal verminderen en hun opto-elektronische eigenschappen zal veranderen [12]. In de afgelopen jaren hebben veel onderzoeksgroepen studies gerapporteerd naar de opto-elektronische eigenschappen van aan alkalimetaal geadsorbeerde 2D-materialen [13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]. Zo hebben Chan et al. [13] onderzocht de adsorptie van alkalimetaalatomen aan grafeen en ontdekte de vermindering van de werkfunctie van grafeen. Jin et al. [14] en Qiao et al. [15] onderzocht de adsorptie van alkalimetalen op grafeen met behulp van de eerste-principesmethode en ontdekte dat de opto-elektronische eigenschappen van grafeen worden gewijzigd door de adsorptie van alkalimetaal. Veel eerdere werken hebben onderzocht dat de elektronische en magnetische eigenschappen van adatom-adsorpties op zwart en blauw fosforeen, waaruit bleek dat de oppervlakte-adsorpties het fosforeensysteem effectief functionaliseren met veelzijdige spintronische kenmerken [16,17,18]. De volledige foto-elektrische eigenschappen van aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN zijn echter nog steeds niet duidelijk.

In dit artikel worden de bandstructuren, toestandsdichtheid, werkfuncties en optische eigenschappen van ongerept g-GaN en aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN uitgewerkt; dit onderzoek is potentieel belangrijk voor de fabricage van op g-GaN gebaseerde veldemissie- en opto-elektronische apparaten.

Methoden

Alle berekeningen worden uitgevoerd met behulp van het Vienna Ab initio Simulation Package gebaseerd op de eerste principes met dichtheidsfunctionaaltheorie [24]. De gegeneraliseerde gradiëntbenadering (GGA) in de vorm van de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) -functionaliteit [25] werd gebruikt om de uitwisseling-correlatie-interactie te beschrijven. Van de GGA-PBE-methode is aangegeven dat deze zeer effectief is voor oppervlakteonderzoek [26,27,28,29]. De kinetische afsnijenergie voor de vlakke golfbasisset is 500 eV. In de loodrechte richting van het g-GaN-vlak was de vacuümruimte ingesteld op 20 . De Brillouin-zone werd beschreven door een set van k -punten in een 9 × 9 × 1 raster met behulp van het Γ-gecentreerde schema. Alle atomen zijn volledig ontspannen totdat de Hellmann-Feynman-krachten minder dan 10^− 4 waren eV/Å en de totale energieveranderingen werden minder dan 10^− 4 eV [29].

De adsorptie-energie voor de alkalimetaal-geadsorbeerde g-GaN-systemen werd berekend met behulp van de methode van Cui et al. [12] Volgens de volgende vergelijking:

$$ {E}_{ads}={E}_{g- GaN\ \mathrm{X}}-{E}_{g- GaN}-{\mu}_X, $$ (1)

waar E _advertenties is de adsorptie-energie, E _g-GaN en E _g-GaN:X duiden de totale energie aan van ongerept g-GaN voor en na alkalimetaaladsorptie, respectievelijk, en μ_X is de chemische potentiaal van een enkel alkalimetaalatoom. Op basis van deze vergelijking is een negatieve waarde van E _advertenties geeft een stabiele structuur aan.

Het verschil in ladingsdichtheid wordt beschreven als

$$ \varDelta \rho ={\rho}_T-{\rho}_g-{\rho}_x, $$ (2)

waar ρ _T , ρ _g , en ρ _x zijn de totale lading op respectievelijk het door alkalimetaal geadsorbeerde g-GaN, het ongerepte g-GaN en het adsorptieatoom.

Resultaten en discussies

Figuur 1 toont het model van g-GaN voor vier verschillende adsorptieplaatsen; de T_N site bevindt zich direct boven het N-atoom, de T_Ga site is direct boven het Ga-atoom, de T_B site is boven het midden van de N-Ga binding, en de T_M site is boven het midden van een zeshoek. De berekende E _advertenties van door alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN wordt weergegeven in tabel 1. Alle E _advertenties van verschillende locaties zijn negatief, wat aantoont dat de procedure van alkalimetaaladsorptie op g-GaN exotherm is en dat alle adsorptiesystemen stabiel zijn. Deze resultaten zijn vergelijkbaar met die verkregen voor aan alkalimetaal geadsorbeerde GaN-nanodraden [12]. Bovendien geven de berekende resultaten aan dat de meest stabiele positie de T_M . is plaats; dus de volgende discussies hebben alleen betrekking op de T_M adsorptiesite.

Model van g-GaN met verschillende adsorptieplaatsen

De roosterparameters van ongerept en door alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN worden weergegeven in tabel 2. De roosterparameters van ongerept g-GaN zijn 3,254 Å, wat goed overeenkomt met eerdere resultaten [30,31,32,33]. Verder zijn de roosterparameters van Li- of Na-geadsorbeerd g-GaN iets kleiner dan die in ongerept g-GaN, terwijl de K-, Rb- en Cs-geadsorbeerd g-GaN groter zijn dan die in ongerept g-GaN . Interessant is dat naarmate het atoomnummer van alkalimetaalatomen groter wordt, de roosterparameters van aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN toenemen. De bindingslengtes van de NX of Ga-X worden weergegeven in tabel 2. De bindingslengtes van de NX of Ga-X nemen toe met het toenemende atoomnummer van alkalimetaalatomen. De adsorptiehoogte van aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN wordt weergegeven in tabel 2, wat aangeeft dat de adsorptiehoogte toeneemt met het toenemende atoomnummer van alkalimetaalatomen.

De bandstructuren van ongerept en door alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN worden getoond in Fig. 2. Figuur 2a laat duidelijk zien dat de bandstructuur van ongerept g-GaN een halfgeleidend karakter heeft, met een bandgap van 2,1 eV. Dit resultaat komt goed overeen met de eerdere rapporten [30,31,32,33]. De bandstructuren voor aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN laten echter zien dat de Fermi-niveaus de geleidingsband zijn binnengegaan, zoals weergegeven in Fig. 2b-f; dus het alkalimetaal-geadsorbeerde g-GaN-systeem heeft een gemetalliseerd karakter, met een opening die verschijnt bij ongeveer -1,8 eV onder het Fermi-niveau, en de opening van aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN is ongeveer 1,92 eV. Bovendien wordt het g-GaN na adsorptie van de alkalimetalen omgezet in een n-type halfgeleider vanwege de neiging van de alkalimetalen om elektronen te verliezen, wat resulteert in een opwaartse verschuiving van het Fermi-niveau binnen de geleidingsband.

Bandstructuren voor ongerept en aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN:a ongerept g-GaN, b Li-geadsorbeerd g-GaN, c Na-geadsorbeerd g-GaN, d K-geadsorbeerd g-GaN, e Rb-geadsorbeerd g-GaN en f Cs-geadsorbeerd g-GaN. Het Fermi-niveau wordt aangegeven met groene stippellijnen

De totale dichtheid van toestanden (TDOS) en gedeeltelijke toestandsdichtheid (PDOS) van ongerept en door alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN worden getoond in Fig. 3. In Fig. 3a laat de TDOS van ongerept g-GaN zien dat het een halfgeleider, consistent met het resultaat van de bandstructuur. De PDOS-berekeningen laten zien dat het valentiebandmaximum voor ongerept g-GaN afkomstig is van de N-2p- en Ga-4p-orbitalen, in overeenstemming met de eerdere resultaten [34, 35]. Om de elektronentoestanden nabij het Fermi-niveau te begrijpen, hebben we de PDOS van aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN berekend. Zoals te zien is in figuur 3b-f, worden de elektronentoestanden nabij het Fermi-niveau voornamelijk bepaald door de Ga-4s-, N-2p- en 2s-orbitalen van de alkalimetalen.

Toestandsdichtheid voor ongerept en aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN:a ongerept g-GaN, b Li-geadsorbeerd g-GaN, c Na-geadsorbeerd g-GaN, d K-geadsorbeerd g-GaN, e Rb-geadsorbeerd g-GaN en f Cs-geadsorbeerd g-GaN

Ladingsoverdracht is een belangrijk aspect van het adsorptiesysteem. Het verschil in ladingsdichtheid met een iso-oppervlaktewaarde van 0,002 e/Å³ voor alkalimetaal-geadsorbeerd g-GaN wordt getoond in Fig. 4. Interessant is dat de elektronenverdelingen tussen alle alkalimetaalatomen en de drie ondergecoördineerde N-atomen liggen. Daarom wordt aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN gevormd door chemisorptie. Bovendien suggereert het grote cyaangebied gelokaliseerd op het alkalimetaalatoom een grote overdracht van het alkalimetaalatoom naar g-GaN. Uit analyse van de Bader-lading blijkt dat er ongeveer 0,8833|e|, 0,7803|e|, 0,7997|e|, 0,7905|e|, 0,7936|e| overdracht van Li, Na, K, Rb, Cs naar g-GaN. Alle bovenstaande resultaten bevestigden dus het beeld dat de interacties in aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN ionische bindingen zijn.

Het verschil in ladingsdichtheid voor aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN. een g-GaN/Li, b g-GaN/Na, c g-GaN/K, d g-GaN/Rb, e g-GaN/Cs. De magenta en cyaan gebieden geven respectievelijk de winst en het verlies van elektronen aan. De waarde van het iso-oppervlak is ingesteld op 0,002 e/Å³

Werkfunctie is een kritische factor voor het balanceren van de opto-elektronische eigenschappen van materialen. De werkfunctie van materialen is gelijk aan het vacuümniveau afgetrokken van het Fermi-niveau. Om de intrigerende haalbaarheid te onthullen, hebben we de afstemming van de werkfunctie van g-GaN door alkalimetaaladsorptie bestudeerd. Figuur 5 toont het werkfunctieschema van ongerept g-GaN en aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN. De werkfunctie van ongerept g-GaN is 4,21 eV, wat iets groter is dan die van GaN-nanodraden [12]. De werkfuncties zijn 2,47, 1,88, 1,49, 1,29 en 0,84 eV voor respectievelijk Li-, Na-, K-, Rb- en Cs-geadsorbeerd g-GaN; aldus wordt de werkfunctie van g-GaN aanzienlijk verminderd na adsorptie van een alkalimetaaladaatoom. Bovendien zijn de werkfuncties van aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN lager dan die van aan alkalimetaal geadsorbeerd GaN-nanodraden [12]. De belangrijkste reden kan te wijten zijn aan het structuurverschil tussen GaN-monolaag en nanodraden. Bovendien toont de verminderde werkfunctie aan dat het aan alkalimetaal geadsorbeerde g-GaN kan worden gebruikt voor veldemissieapparatuur.

Het werkfunctieschema voor ongerept en aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN

Vervolgens onderzoeken we het effect van de adsorptie van alkalimetaal op de optische eigenschappen van g-GaN. Optische eigenschappen van materialen kunnen worden weergegeven door het reële deel ε ₁ (ω ) en denkbeeldig deel ε ₂ (ω ) van de diëlektrische functie, absorptie a (ω ), refractieve n (ω ), reflectiviteit R (ω ), energieverliesfunctie L (ω ), en de extinctiecoëfficiëntspectra K (ω ), zoals eerder gemeld [36,37,38,39,40]. Het echte deel ε ₁ (ω ) als functie van ω voor ongerept en door alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN wordt getoond in Fig. 6a. De ε ₁ (0 ) van ongerept g-GaN is 1,48, en de ε ₁ (0 ) van aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN is 2,33 (Li), 3,13 (Na), 3,56 (K), 3,81 (Rb) en 3,81 (Cs). Uit de gegevens blijkt dat de ε ₁ (0 ) van aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN groter is dan dat van ongerept g-GaN; dus de optische eigenschappen van g-GaN zijn zeer gevoelig en afstembaar. Bovendien, wanneer de energie groter is dan 15 eV, is de neiging voor het reële deel van het spectrum identiek aan die overeenkomend met adsorptie door verschillende alkalimetalen. Het denkbeeldige deel ε ₂ (ω ) als functie van ω voor ongerept en alkalimetaal-geadsorbeerd g-GaN wordt getoond in Fig. 6b. Twee smalle pieken bij 6,18 en 10,76 eV, die afkomstig zijn van de overgang van N-2p-elektronen naar de s-toestanden van de kationen, worden verschoven naar lagere energieën bij alkalimetaaladsorptie. Bovendien ontstaat er een hoge piek bij 1,22 eV na adsorptie van alkalimetaal.

De echte en denkbeeldige delen voor ongerept en alkalimetaal-geadsorbeerd g-GaN: a echte onderdelen, b denkbeeldige delen

Afbeelding 7 toont de absorptiecoëfficiënt en brekingsindices voor ongerept en door alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN. In figuur 7a begint de absorptierand van ongerept g-GaN bij 2,77 eV; deze absorptie komt voort uit de geëxciteerde elektronenovergang van N-2p-toestanden aan de bovenkant van de valentieband naar de lege kation-2-toestanden. Het spectrum van ongerept g-GaN vertoont twee pieken bij 6,28 en 10,95 eV; deze pieken vertonen een roodverschuiving na adsorptie van alkalimetaal. Bovendien nemen de intensiteiten van de twee pieken af na adsorptie van alkalimetaal. Bovendien ontstaat er een nieuwe piek bij 1,61 eV na adsorptie van alkalimetaal, en enkele diverse pieken verschijnen bij energieën groter dan 12,46 eV in de spectra van K-, Rb- en Cs-geadsorbeerd g-GaN. Deze resultaten geven aan dat de aan alkalimetaal geadsorbeerde g-GaN-materialen een breed aanpassingsbereik vertonen in hun absorptiespectra. Verder zijn de absorptiecoëfficiënten voor ongerept en door alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN gerelateerd aan het imaginaire deel en de extinctie-index, zoals getoond in Fig. 6b en 8c. Zoals weergegeven in Afb. 7b, zijn de waarden voor n (0 ) zijn 1,22 (ongerept), 1,53 (Li), 1,78 (Na), 1,89 (K), 1,99 (Rb) en 1,99 (Cs). De n (0 ) waarden voor ongerept g-GaN en alkalimetaal-geadsorbeerd g-GaN zijn iets lager dan die verkregen voor ongerepte GaN-nanodraden en alkalimetaal-geadsorbeerde GaN-nanodraden [12]. Met toenemende foto-energie bereikt de brekingsindex van ongerept g-GaN een maximale waarde van ongeveer 1,65 bij 5,88 eV, terwijl de brekingsindex van aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN een maximale waarde bereikt van ongeveer 1,75-2,25 bij 0,7-2 eV. Bovendien bereiken de brekingsindices van ongerept g-GaN en door alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN een minimumwaarde van ongeveer 11,41 eV. Ten slotte blijven de brekingsindices ongewijzigd met een waarde van 0,91 wanneer de foto-energie groter is dan 15 eV.

De absorptiecoëfficiënt en brekingsindices voor ongerept en aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN: a absorptiecoëfficiënt, b brekingsindices

De reflectiecoëfficiënt, verliesenergiefunctie en extinctiecoëfficiënt voor ongerept en door alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN:a reflectiecoëfficiënt, b verlies energie functie, c uitstervingscoëfficiënt

De reflectiecoëfficiënt R (ω ) voor ongerept en door alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN wordt getoond in Fig. 8a. Een sterke reflectiepiek bevindt zich bij 11,3 eV voor ongerept g-GaN; de piekintensiteit neemt echter af na adsorptie van alkalimetaal. Bovendien ontstaat er een nieuwe reflectiepiek in het lage-energiegebied (0-2,5 eV), wat aangeeft dat het reflectiespectrum wordt uitgebreid na adsorptie van alkalimetaal. De energieverliesfunctie L (ω ) voor ongerept en door alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN wordt getoond in figuur 8b; de gegevens laten zien dat de meest prominente piek voor ongerept g-GaN zich op ongeveer 11,57 eV bevindt, terwijl de meest prominente piek voor aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN verschijnt bij 11,12 eV. De piekintensiteit voor het aan alkalimetaal geadsorbeerde g-GaN is lager dan die voor het ongerepte g-GaN; het energieverlies is dus langzamer voor elektronentransmissie in aan alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN. Bovendien is het aan alkalimetaal geadsorbeerde g-GaN een stabiele verbinding. De extinctiecoëfficiënt K (ω ) van ongerept en door alkalimetaal geadsorbeerd g-GaN wordt getoond in figuur 8c. De extinctiecoëfficiënt voor het door alkalimetaal geadsorbeerde g-GaN is vergelijkbaar met de reflectiviteitscoëfficiënt. Zo kunnen de optische eigenschappen van g-GaN worden afgestemd via de adsorptie van alkalimetaalatomen, wat nuttig is voor de fabricage van opto-elektronische apparaten.

Conclusies

De elektronische en optische eigenschappen van alkalimetaal-geadsorbeerde g-GaN-systemen werden onderzocht met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie. De resultaten worden als volgt samengevat:(1) al het door alkalimetaal geadsorbeerde g-GaN is tamelijk stabiel, waarbij de meest stabiele adsorptieplaats de T_M is plaats. (2) De adsorptie van alkalimetaalatomen aan g-GaN vindt plaats via chemisorptie. (3) Een n-doteringsgedrag kan worden gevonden in g-GaN na de adsorptie van alkalimetaal-adatomen. (4) De werkfunctie van g-GaN is aanzienlijk verminderd na alkalimetaaladsorptie, waarbij het Cs-geadsorbeerde g-GaN-systeem de minimale werkfunctie van slechts 0,84 eV vertoont, dus het met Cs geadsorbeerde g-GaN-systeem heeft potentiële toepassing in veldemissieapparatuur. (5) Alkalimetaaladsorptie kan leiden tot een verhoging van de statische diëlektrische constante en het absorptiespectrum van g-GaN verlengen. Bijgevolg kan de adsorptie van alkalimetalen worden gebruikt om de opto-elektronische eigenschappen van g-GaN te verfraaien en te vergroten, dat kan worden gebruikt om foto-elektrische apparaten te produceren.

Afkortingen

2D:: Tweedimensionaal
GGA:: Gegeneraliseerde gradiëntbenadering
g-GaN:: Grafeen-achtig galliumnitride
PBE:: Perdew-Burke-Ernzerhof
PDOS:: Gedeeltelijke dichtheid van toestanden
TDOS:: Totale dichtheid van staten

Eenvoudige synthese van ligandvrije iridium-nanodeeltjes en hun in vitro biocompatibiliteit Verbeterde energetische prestaties op basis van integratie met de Al/PTFE-nanolaminaten

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal