Strain Tunable Bandgap en High Carrier Mobility in SiAs en SiAs2 Monolayers van First-Principles Studies

Resultaten en discussies

De geometrische structuren en elektronendichtheidsverdeling van ontspannen vrijstaande 2D SiAs en SiAs₂ worden respectievelijk weergegeven in Fig. 1a, b, en hun bulkstructuren worden getoond in Aanvullend bestand 1:Figuur S1 van het aanvullende materiaal. Zoals getoond in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1a en b, de bulk SiAs(SiAs₂ ) bezit C2/m(Pbam) symmetrie en bestaat uit gestapelde Si-As-lagen die zwak gebonden zijn door van der Waals-krachten met een afstand van 3,06 Å (1,66 Å). De eenheidscel van monolaag SiAs is ruitvormig en de geoptimaliseerde kristalparameters zijn a ₁ =3.69Å en b ₁ =10,83Å met φ =99,81°. SiAs bevat 6 Si-atomen en 6 As-atomen. Elk Si-atoom heeft vier dichtstbijzijnde naburige atomen (3 As en 1 Si), terwijl elk As-atoom slechts drie covalente bindingen vormt met naburige Si-atomen. Het bestaat uit twee soorten bindingen, namelijk Si-Si- en Si-As-bindingen. En de lengte van de Si-Si-binding is ongeveer 2,35 Å en die van Si-As ligt in het bereik van 2,39 Å en 2,43 Å, en de hoogte van de knik is d ₁ =4,86 ​​. Bij het zijaanzicht van monolaag SiAs, wordt een lenzenvloeistof-geregen achtige structuur gevormd met dubbele en enkele lagen afwisselend volumineus. Een andere monolaagstructuur van silicium en arseenverbinding is SiAs₂ . De primaire cel bevat 4 Si-atomen en 8 As-atomen, met een rechthoekige structuur en de geoptimaliseerde kristalparameters zijn a ₂ =3,68Å en b ₂ =10,57 . Elk As-atoom heeft drie dichtstbijzijnde naburige Si-atomen of vormt één covalente binding met naburige Si-atomen en twee covalente bindingen met zichzelf, terwijl elk Si-atoom slechts vier dichtstbijzijnde naburige As-atomen heeft. In tegenstelling tot de eerste, SiAs₂ bezit een zwakkere As-As-binding (2,50 Å) in plaats van Si-Si-binding. En de Si-As-bindingen variëren van 2,41 Å tot 2,45 Å, en de hoogte van de knik is d ₂ =5,09 . Uit de elektronendichtheidsverdeling trekken de As-atomen elektronen van Si-atomen aan vanwege hun grote elektronegativiteit en hebben ze een grotere elektronendichtheid. Om toekomstige experimentele karakterisering te ondersteunen, hebben we de Raman-spectra van bulk- en monolaag SiAs en SiAs₂ verder berekend en gecontroleerd. . Duidelijke verschuivingen tussen de monolaag en de volledige kristallen zijn gezien in aanvullend bestand 1:figuur S2 van het aanvullende materiaal, waarvan de oorsprong is geïdentificeerd als de invloed van de lagen van der Waals-interactie [42].

Geometrische structuur en elektronendichtheidsverdeling van monolagen SiAs en SiAs₂ . (Online kleuren) Boven- en zijaanzichten van monolagen a SiAs en b SiAs₂ geometrische structuur en elektronendichtheidsverdeling en de bijbehorende Brillouin-zone. De blauwe en groene bal geven respectievelijk het Si- en As-atoom aan

De stabiliteit van SiAs leren (SiAs₂ ), hebben we eerst de cohesieve energie berekend, gedefinieerd als E _coh =(nE _Si + mE _Als −E _Mono )/(n + m ), waarbij E _Si ,E _Als , en E _Mono zijn de totale energieën van een enkel Si-atoom, een enkel As-atoom en een formule-eenheid van monolaag SiAs (SiAs₂ ), respectievelijk, en n(m) is het aantal As(Si)-atomen in de formule-eenheid. Onze berekeningen laten zien dat de SiAs-monolaag een cohesieve energie heeft van 5,13 eV/atoom, wat iets groter is dan die van SiAs₂ monolaag 4,98 eV/atoom. Ter vergelijking:op hetzelfde theoretische niveau zijn de cohesieve energieën van arseen en siliceen respectievelijk 2,99 en 3,71 eV/atoom [18, 43]. De hoge cohesieve energieën van SiAs en SiAs₂ onthullen dat beide sterk verbonden zijn met een hoge stabiliteit.

Om de structurele stabiliteit van monolaag SiAs en SiAs₂ . verder te bevestigen , hebben we ook vibrationele fonon-spectraberekeningen uitgevoerd. Zoals getoond in Fig. 2a, zijn positieve frequenties verantwoordelijk voor de meeste modi, behalve de transversale akoestische modus nabij de Γ punt, dat te wijten is aan de verzachting van fononen en is gerapporteerd in andere vergelijkbare systemen [44, 45], wat aangeeft dat de structuren beide dynamisch stabiel zijn. Vervolgens voerden we 6 ps eerste-principes MD-simulaties uit bij kamertemperatuur (T =300K ), zoals weergegeven in Fig. 2b. De lichte energieschommeling en goed onderhouden structuren suggereren dat ze thermisch stabiel zijn bij kamertemperatuur. Onze resultaten impliceren dat de monolagen SiAs en SiAs₂ zou experimenteel kunnen worden gerealiseerd bij kamertemperatuur.

Fonon-dispersiecurven en MD-simulaties van monolagen SiAs en SiAs₂ . een De fonon-dispersiecurven voor monolaag SiAs en SiAs₂ . b Relaties van totale energie en tijd tijdens MD-simulaties bij kamertemperatuur van SiAs en SiAs₂ . Geselecteerde snapshots van de monolaagstructuren aan het einde van 6 ps worden ook verstrekt

Met de geoptimaliseerde structuren van monolaag SiAs en SiAs₂ , nu besteden we aandacht aan hun elektronische eigenschappen. De berekende orbitale decompositiebandstructuren van SiAs en SiAs₂ monolagen worden getoond in Fig. 3. Onze berekeningen laten duidelijk zien dat SiAs en SiAs₂ monolagen zijn beide indirecte halfgeleiders met brede bandafstanden. Voor monolaag SiAs bevindt het valentiebandmaximum (VBM) zich op de Y punt, terwijl het geleidingsbandminimum (CBM) zich op het Γ . bevindt (Fig. 3a). De indirecte bandgap van monolaag SiAs is E _g =1,72 eV binnen de PBE-regeling. Men kan ook zien dat de VBM-status op Y punt bestaat uit de p _j orbitaal, terwijl de CBM van Γ punt omvat voornamelijk de s-orbitaal, wat betekent dat de externe vervorming verschillende effecten op de twee toestanden zal hebben en kan leiden tot indirect-directe overgang, zoals hieronder wordt onthuld. In tegenstelling tot SiAs is de monolaag SiAs₂ is een bijna directe halfgeleider met VBM aan de zijkant van de Y punt en CBM is een kleine verplaatsing ervan (figuur 3b). De SiAs₂ monolaag indirecte band gap is E _g =1,42 eV binnen de PBE-regeling. En de VBM en CBM van SiAs₂ monolaag bestaat uit de p _j orbitaal en s orbitaal, respectievelijk. Om een ​​nauwkeurigere band gap-waarde te krijgen, hebben we ook de hybride functionele berekeningen uitgevoerd (HSE06)[46, 47] voor SiAs en SiAs₂ monolagen. Uit de berekende bandstructuren (het rechterdeel van figuur 3a, b) zijn de scherpe punten van bandtoestanden van PBE en HSE in principe hetzelfde, en de indirecte bandgap wordt nog steeds voorspeld binnen de hybride functionele berekeningen, maar de gap-waarde is verhoogd tot 2,39 eV en 2,07 eV voor SiAs en SiAs₂ , respectievelijk.

Bandstructuren van monolaag SiAs en SiAs₂ berekend door PBE en HSE06. De elektronische orbitale ontleding van bandstructuren van monolagen SiAs en SiAs₂ worden weergegeven als a en b , respectievelijk. De rode stippen geven s . aan orbitaal, terwijl blauw, geel en groen p . zijn _x ,p _j , en p _z , respectievelijk. Het Fermi-niveau is ingesteld op nul en wordt aangegeven met een stippellijn

De draaggolfmobiliteit, die een sleutelfactor is van de potentiële toepassingen in moderne elektronische apparaten voor de nieuw ontdekte 2D-materialen, is net zo belangrijk als de bandgap en locatie van CBM en VBM. Om meer details te krijgen over de elektronische structuureigenschappen van SiAs en SiAs₂ monolagen, berekenden we vervolgens hun akoestische fonon-beperkte draaggolfmobiliteiten (inclusief elektron en gat in zowel x- als y-richtingen) op basis van deformatiepotentiaal (DP) theorie [48] bij kamertemperatuur (T =300 K ). Bij het lage-energieregime (300 K ), domineert de elektron-akoestische-fononverstrooiing het dragertransport, wat het akoestische fonon-beperkt een effectieve manier maakt om de dragermobiliteit van veel 2D-structuren te voorspellen, zoals de MoS₂ monolaag [49], tellurene [19], fosfeen [50] en enkele laag MoO₃ [51]. De berekende effectieve massa's m ^∗ en vervoerder mobiliteiten μ van SiAs en SiAs₂ monolagen laten zien dat ze allebei een hoge mobiliteit en transportanisotropie hebben (zie aanvullend bestand 1:tabel S1 en de figuren S3 en S4) zoals het zwarte fosforeen [50]. De dragermobiliteit van SiAs en SiAs₂ . schatten , hebben we eerst een aanpassing van hun banden uitgevoerd met behulp van het bijna vrije elektronenmodel om de effectieve dragermassa's te krijgen. Voor SiAs definiëren we x en y als de richting loodrecht op de roostervectoren b en een , respectievelijk. De \(m_{e}^{*}\) en \(m_{h}^{*}\) langs de x-richting zijn ongeveer 0,15 m ₀ en 0,86 m ₀ , respectievelijk, en langs de y-richting zijn 0,80 m ₀ en 0,22 m ₀ (m ₀ is de vrije elektronenmassa), respectievelijk. Voor SiAs₂ , de richting van roostervector a is gedefinieerd als x , terwijl die van b is y . De \(m_{e}^{*}\) en \(m_{h}^{*}\) langs de x-richting zijn ongeveer 0,14 m ₀ en 0,65 m ₀ , respectievelijk, en langs de y-richting zijn 2,05 m ₀ en 1.82 m ₀ , respectievelijk. We hebben verder de elastische constanten (C) en de vervormingspotentiaal (E1) bestudeerd (zie aanvullend bestand 1:figuur S2 en S3). Op basis van de hierboven verkregen m ^∗ , C- en E1-waarden, hebben we de dragermobiliteit geschat zoals vermeld in Tabel 1. De elektronenmobiliteiten voor SiAs(SiAs₂ ) langs x en y richtingen zijn 0,66(0,26) en 0,54(0,11) × 10 ³ · cm ² V ⁻¹ S ⁻¹ , terwijl het gat beweegt langs x en y richtingen zijn 3,90(0,13) en 0,30(0,65) × 10 ³ · cm ² V ⁻¹ S ⁻¹ , die beide veel hoger zijn dan die van MoS₂ [49].

Om meer licht te werpen op het onderliggende bindingsmechanisme van Si- en As-atomen in monolagen SiAs en SiAs₂ , de totale en gedeeltelijke dichtheid van toestanden (PDOS) ervan met behulp van PBE-functioneel, met hun elektronendichtheidsverdeling die overeenkomt met VBM en CBM, worden respectievelijk gegeven in Fig. 4. Men kan zien dat de PDOS van As- en Si-atomen (Fig. 4a, c) een sterke hybridisatie van s vertoont en p orbitalen, wat de sterke covalente binding tussen hen aangeeft. Het onderscheid tussen monolagen SiAs en SiAs₂ zijn de lokalisatie van p _z orbitaal, die worden toegeschreven aan de verschillende bindingscoördinatieomgeving van As-atoom. De lone pair-elektrontoestanden, gelokaliseerd op het As-atoom in zowel SiAs als SiAs₂ monolagen, vergroot de drie dichtstbijzijnde bindingsorbitalen om de vorming van de monolaagstructuur te bepalen en om de p te vormen _z orbitale lokaliserende actie. In monolaag SiAs zijn de eenzame paren uit elkaar door Si-As-binding, die het afstotende effect verminderen en de p verbreden _z orbitaal. Terwijl in monolaag SiAs₂ , As-As-binding, die de situatie blijft die heel gebruikelijk is in groep V-halfgeleiders, lokaliseert de p _z orbitaal in een dieper energieniveau.

Geprojecteerde toestandsdichtheid en de elektronendichtheid van VBM en CBM. De geprojecteerde toestandsdichtheid (PDOS) van As- en Si-atomen en de elektronendichtheidsverdeling die overeenkomt met VBM en CBM van (a , b ) SiAs en (c , d ) SiAs₂ monolagen. De iso-oppervlaktewaarde 0,034 e /Å ³

Zoals we weten, is het karakter van grensstaten niet alleen van belang voor een microscopisch begrip van de geleidingskanalen, maar ook van groot belang voor het ontwerp van optimale contacten.[52] De ladingsdichtheden die overeenkomen met VBM en CBM van monolagen SiAs en SiAs₂ worden respectievelijk weergegeven in Fig. 4b en d. De VBM is bijna de hybridisatie van 3p-orbitalen van Si en As, terwijl CBM voornamelijk afkomstig is van de bijdrage van 3s-orbitalen van Si en As, die ook consistent zijn met PDOS-resultaten in Fig. 4a, c en de elektronische orbitale decompositie van bandstructuren in Afb. 3.

Mechanische belasting is een effectieve manier om de elektronische eigenschappen van 2D-materialen te moduleren, die op grote schaal worden gebruikt om de bandstructuur van zwarte en blauwe fosforenen en andere nanosheetmaterialen te wijzigen [53–55]. Vooral voor het systeem met knikstructuur zijn de energiekosten meestal vrij laag om een ​​duidelijke spanning te veroorzaken. Hier wordt de toepassing van mechanische belasting gesimuleerd door de roosterconstante en de interne vrijheidsgraden van elk atoom tijdens de geometrische optimalisatie te variëren. De soort ε wordt gedefinieerd als ε =(l −l ₀ )/l ₀ , waar l en l ₀ zijn de gespannen en evenwichtsroosterconstanten van monolagen SiAs en SiAs₂ . In Fig. 5a, b, de gedetailleerde variaties van hoge knik geometrische structuur van 2D SiAs en SiAs₂ onder stammen zijn respectievelijk vertegenwoordigd. Men kan zien dat hun geknikte hoogten worden vergroot of gecomprimeerd door de geknikte hoek te veranderen θ ₁₍₂₎ met biaxiale druk- of trekspanningen in bijna lineaire variaties. En we ontdekten ook dat hun geometrische structuur met hoge knik beide nog steeds goed wordt bewaard onder vrij grote spanningen, waarvan de fonon-spectra, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S5 en S6, geen negatieve frequenties bevat, zelfs niet bij het grote spanningsregime. De gap-variaties van monolaag SiAs en SiAs₂ onder biaxiale druk- en trekspanningen worden respectievelijk getoond in Fig. 5c, d. Men kan zien dat de elektronische eigenschappen van SiAs en SiAs₂ zijn gevoelig afhankelijk van de stam en ondergaan een indirecte naar directe bandovergang in een bepaald stamgebied en vervolgens naar metaal in een groot stamgebied.

Spanningseffecten op de geometrische structuren en bandhiaten van 2D SiAs en SiAs₂ . een , c vertegenwoordigen SiAs; en b , d duiden SiAs₂ . aan; M, I en D vertegenwoordigen respectievelijk metaal, indirecte halfgeleider en directe halfgeleider

De gedetailleerde variaties van SiAs en SiAs₂ bandstructuren worden getoond in Fig. respectievelijk 6 en 7. Onder biaxiale drukspanningen neemt de geknikte hoogte van monolaag SiAs toe en verschuift de CBM van Γ naar een punt op de Y-S-lijn en terug naar Y. Terwijl de VBM stil wordt gehouden op het Y-punt totdat de drukspanning ε bereikt =− 10% . Daarom schakelt de bandgap bij toenemende drukbelasting over van indirecte Y naar Γ , via indirecte Y naar een punt op de Y-S-lijn, om Y naar Y te leiden en terug naar indirect een punt op de Γ –Y-lijn naar Y, zoals weergegeven in Fig. 6. Voor trekspanningen beweegt de VBM op Y naar een punt op de Y-S-lijn en de CBM op Γ verplaatst naar Y en de band gap blijft indirect. Voor grote spanning, ongeacht de druk- of treksterkte, leidt dit tot een metaalovergang, zoals weergegeven in figuur 5c.

Bandstructuren van 2D SiAs onder de biaxiale spanningen. Het Fermi-niveau is ingesteld op nul en wordt aangegeven met een stippellijn

Bandstructuren van 2D SiAs₂ onder de biaxiale spanningen. Het Fermi-niveau is ingesteld op nul en wordt aangegeven met een stippellijn

In Fig. 7 is een soortgelijk onderzoek uitgevoerd voor 2D SiAs₂ . In plaats van compressie resulteren trekspanningen in het bereik van 8-10% in directe bandhiaten. wanneer de monolaag SiAs₂ spreidt zich uit met een afnemende knikhoogte onder de trekspanningen, de VBM-verschuiving van een punt op de Γ –Y lijn naar Γ en blijf stil in het bereik van 8-10% en schuif dan uit elkaar naar een punt op de Γ –X-lijn, terwijl de CBM beweegt vanaf een punt op de Γ –Y lijn naar Γ en hou vol. Daarom schakelt de bandgap bij toenemende trekspanning over van indirect naar de Γ –Y-lijn om Γ . te sturen – Γ en dan terug naar indirect een punt op de Γ –X-lijn naar Γ , zoals geïllustreerd in Fig. 7. Compressieve spanningen blijven de indirecte bandgap. En grote stammen hebben vergelijkbare effecten, wat leidt tot een metaalovergang als SiAs.

Representatieve directe bandstructuren van gespannen SiAs en SiAs₂ worden ook getoond in Aanvullend bestand 1:Figuur S7a en b door de PBE- en HSE-berekeningen. Voor SiAs, een directe band gap van E _g =1,75 eV (HSE) met de VBM en CBM gelokaliseerd op de Y punten wordt verkregen onder een biaxiale drukspanning van ε =− 7,5% . In tegenstelling tot SiAs, een biaxiale treksterkte van ε =8.5% induceert de SiAs₂ naar een directe band van E _g =1,60 eV (HSE). En de VBM en CBM zijn aan de Γ punt.