Afstemming van elektronische eigenschappen van blauwe fosfor/grafeenachtige GaN van der Waals heterostructuren door middel van verticaal extern elektrisch veld

Resultaten en discussie

Verschillende structuren die in ons vorige werk zijn getoond, zijn bestudeerd als een benchmark om de meest stabiele structuur van de dubbellaagse heterostructuren te verkrijgen [18]. De geoptimaliseerde roosterconstanten zijn respectievelijk 3,25 A en 3,20 A voor bilayer-blue-P en g-GaN, waarvan de waarden in overeenstemming zijn met de gerapporteerde onderzoeken [9, 26]. De roostermismatch is slechts ongeveer 2% [18]. Om de minimale energieconfiguratie te verkrijgen en de thermische stabiliteit van de structuren te evalueren, wordt de blauwe-P-laag verplaatst ten opzichte van de g-GaN-laag en wordt de laagste energieconfiguratie gevonden met eindige hoeveelheden δ_{x /j} . De evolutie van het totale energieverschil als functie van δ_x en δ_y is aangetoond in onze eerdere studies [18]. Figuur la toont de atomaire structuren van zij- en bovenaanzicht van dubbellaags-blauw-P op g-GaN. De optimale stapelmodus van blue-P-dubbellagen is consistent met het vorige artikel [27]. Figuur 1b toont de relatie tussen de bindingsenergie (E _b ) op het grensvlak en de tussenlaagafstand van blue-P en g-GaN (d _{blauw-P/g-GaN} ). De definitie ervan is in detail beschreven in onze eerdere studies [18]. De E _b is ongeveer 49 meV voor de enkellaags blauw-P met een evenwichtsafstand van 3,57 Å. Voor de dubbellaag is de bindingsenergie bijna hetzelfde als die van de enkele laag, terwijl de evenwichtsafstand 3,52 is. Die bindingsenergieën hebben dezelfde orde van grootte als andere vdW-kristallen, zoals BP/grafeen [E _b =60 meV] [11], blauw-P/grafeen [E _b =70 meV] [6], en dubbellaags blauw-P [E _b =25 meV] [27].

een Zij- en bovenaanzicht van dubbellaags blauw-P op g-GaN. b Bindingsenergie als functie van de afstand d _{blauw-P/g-GaN} voor het monolaag- en bilaagsysteem. De inzet toont de zoom sluit het minimum van de bindingsenergie

Figuur 2a-b toont de bandstructuren van monolaag-blauw-P/g-GaN heterostructuur en dubbellaag-blauw-P/g-GaN heterostructuur, met E _g van 1,26 eV en 1,075 eV berekend met behulp van respectievelijk GGA. Voor de HSE06-methode is de E _g is respectievelijk 2,2 eV en 1,91 eV. Voor beide heterostructuren bevinden de minimale energietoestanden in de geleidingsband zich in de buurt van het M-punt en de maximale energietoestanden in de valentieband op het K-punt, de twee punten bevinden zich niet op hetzelfde kristalmomentum in de Brillouin-zone. De bandgap is dus een indirecte bandgap voor beide halfgeleiderheterostructuren. De E _g van monolaag-blauw-P/g-GaN heterostructuur neemt 0,63 eV af vergeleken met de monolaag-blauw-P (1,89 eV), terwijl de E _g van dubbellaags-blauw-P (1,118 eV) krimpt 0,043 eV in tegenstelling tot dubbellaags-blauw-P/g-GaN heterostructuur. De bandbuiging kan worden bereikt door het verschil tussen de Fermi-niveaus van de blauwe-P met het g-GaN-systeem en de vrijstaande blauwe-P [28]:ΔE _F =W − W _P , waar W is de werkfunctie van het samengestelde systeem (blauw-P/g-GaN), en W _P is de werkfunctie van de ongerepte blauwe-P. De ΔE _F van − 1.17 eV en − 0.81 eV voor de monolaag-blauwe-P/g-GaN heterojuncties en de dubbellaags-blauw-P/g-GaN heterojuncties worden respectievelijk verkregen, zoals getoond in Fig. 2c, d. Zoals men kan zien, is het type van de uitlijning van de energieband de verspringende opening (type II) aan de interfaces voor alle monolaag-blauwe-P/g-GaN heterostructuren en de dubbellaagse-blauwe-P/g-GaN heterostructuren.

Bandstructuren van a monolaag-blauw-P/g-GaN heterostructuur, en b bilayer-blue-P/g-GaN heterostructuur, respectievelijk; banduitlijning en werkfuncties gerelateerd aan c monolaag-blauw-P/g-GaN heterostructuur en d dubbellaags-blauw-P/g-GaN heterostructuur

De heterostructuur wordt vaak onderworpen aan een extern elektrisch veld om de elektronische eigenschappen ervan af te stemmen terwijl deze wordt toegepast op nano-elektronische apparaten. Om de invloed van de E . te bestuderen _ext op de elektronische structuur worden de bandstructuren berekend met verschillende E _ext voor de blauwe-P/g-GaN heterostructuren. Zoals gemeld in eerder werk, kan de geometrische structuur van de heterostructuur worden verwaarloosd, maar de bandstructuur verandert sterk onder verschillende E _ext [29]. Figuur 3a toont de evolutie van de E _g als een functie van de E _ext van − 1,0 eV/Å tot 1,0 eV/Å. De richting van E _ext van boven (g-GaN-laag) naar beneden (blauw-P-laag) wordt als voorwaartse richting genomen. Het is duidelijk aangetoond dat monolaag-blauw-P/g-GaN en dubbellaags-blauw-P/g-GaN heterostructuren een bandgap-modulatie vertonen met de E _ext . Voor monolaag-blauw-P/g-GaN, in het geval van de voorwaartse E _ext , de E _g neemt lineair toe met de toenemende E _ext ≤ 0,4 eV/Å (L-verhogingsbereik). De monolaag-blauw-P/g-GaN verkrijgt zijn maximale E _g wanneer E _ext =0,5 eV/Å en vertoont weinig verandering wanneer E _ext ligt in het bereik van 0,4 <E _ext <0,6 eV/Å (verzadigingsbereik), wat de bandoffsets verbetert om de scheiding van elektron-gatparen te bevorderen. De eerste vergroting in E _g wordt toegeschreven aan het tegenwicht van E _ext tot op zekere hoogte door het ingebouwde elektrische veld (E _int ). De E _g komt tot een lineair afnamebereik met toenemende E _ext> 0,6 eV/Å (L-afnamebereik). De heterostructuur vertoont dus een metaalgedrag wanneer het wordt onderworpen aan een sterker elektrisch veld. Dit is afkomstig van de diëlektrische doorslag en ladingstunneling. De E . daarentegen _g neemt lineair af met toenemende E _ext (L-afnamebereik) onder een omgekeerde E _ext , veroorzaakt doordat de geleidingsbandminimum (CBM) bandrand verschuift naar het valentiebandmaximum (VBM). Echter, wanneer E _ext =− 0,7 eV/Å, de bandgap begint sterk af te nemen, wat mogelijk te wijten is aan de storing. Wanneer E _ext <− 0,8 eV/Å, de blauwe-P/g-GaN heterojunctie ervaart een overgang van halfgeleider naar metaal (metaalbereik). Deze resultaten laten zien dat zowel E _g en de overgang van halfgeleider naar metaal van de blauwe-P/g-GaN-heterostructuur is afhankelijk van elektrostatische poorten, die kunnen worden gebruikt in hoogwaardige elektronische en opto-elektronische apparaten. Bovendien is het effect van E _ext op de E _g tussen de bilagen van blue-P en g-GaN heterostructuur is hetzelfde als de enkele laag, maar met een kleiner elektronisch veld voor de overgang van halfgeleider naar metaal.

een E _g vs E _ext van monolaag-blauw-P/g-GaN en dubbellaags-blauw-P/g-GaN heterostructuren. b –e De bandstructuren van de monolaag-blauwe-P/g-GaN heterostructuur met E _ext van 0,3 eV/Å, 0,5 eV/Å, − 0,3 eV/Å en 0,7 eV/Å. De E _F is ingesteld op 0 en wordt aangegeven door de rode stippellijn

Om het effect van elektrisch veld op de bandstructuur te onderzoeken, wordt de relatie tussen de energiebandstructuren en het externe elektrische veld berekend. De bandstructuren van de monolaag-blauw-P/g-GaN heterostructuren met E _ext van 0,3 eV/Å, 0,5 eV/Å, − 0,3 eV/Å en 0,7 eV/Å worden getoond in Fig. 3b-e. In Fig. 3b-c, onder de 0,3 eV/Å en 0,5 eV/Å van E _ext , de E _g stijgt tot 1.651 eV en 1.757 eV. Dit geeft aan dat het quasi-Fermi-niveau van de g-GaN-monolaag naar beneden wordt verschoven en dat het quasi-Fermi-niveau van de blauwe-P-monolaag omhoog wordt getild. Echter, in Fig. 3d-e, voor de − 0,3 eV/Å en − 0,7 eV/Å van E _ext , de E _g afnemen tot 0,888 eV en 0,49 eV. Het quasi-Fermi-niveau van g-GaN gaat omhoog en het quasi-Fermi-niveau van blauw-P gaat naar beneden. De resultaten laten zien dat de bandgap lineair varieert met de toegepaste verticale E _ext , wat wijst op een gigantisch Stark-effect [30]. Bij het toepassen van een verticale E _ext , zouden de subbandtoestanden van de valentie- en geleidingsvalentie een vermenging ondergaan, wat leidt tot een veldgeïnduceerde splitsing van de elektronische niveaus. Het door het externe veld veroorzaakte elektrostatische potentiaalverschil heeft de elektronische structuren nabij het Fermi-niveau aanzienlijk veranderd [31].

Figuur 4a–d toont het iso-oppervlak van ladingsaccumulatie (met kleur in oranje) en uitputting (lichtgroen), die de verandering van ladingsdichtheid van de blauwe-P/g-GaN heterojunctie met de E laat zien _ext waarde van respectievelijk 0,3 eV/Å, 0,5 eV/Å, − 0,3 eV/Å en − 0,7 eV/Å. Bij het toepassen van een voorwaartse E _ext , zoals getoond in Fig. 4a-b, hebben positieve ladingen (gaten) de neiging om over te dragen van de blauwe P-laag naar de g-GaN-laag, en negatieve ladingen (elektronen) worden overgedragen van de g-GaN naar de blauwe P-laag. Tegelijkertijd kan men zien dat de hoeveelheid ladingsoverdracht meer dan 0,3 eV/Å is wanneer het elektrische veld 0,5 eV/Å is. In wezen oriënteert een positief extern elektrisch veld de lading in de richting van het spanningsveld, waardoor de lading wordt beperkt tot het atomaire vlak, maar de lading in deze vlakken blijft, waardoor de overdracht van de lading van blauw-P naar g-GaN wordt vergemakkelijkt. De negatieve E . daarentegen _ext induceert elektronen om zich op te hopen / uit te putten aan de andere kant, zoals gevisualiseerd in Fig. 4c-d. Voornamelijk negatieve externe elektrische velden positioneren de lading terug naar het spanningsveld en brengen zo de lading over van g-GaN naar blauw-P. Dienovereenkomstig is het quasi-Fermi-niveau van g-GaN-monolaag en E _VBM stijgen, terwijl het quasi-Fermi-niveau van blauwe-P-monolaag en E _CBM afnemen, wat resulteert in een lineaire vermindering van de bandgap. Tegelijkertijd worden elektronen overgedragen van blauw-P naar g-GaN onder een omgekeerde E _ext . Het is gebleken dat de hoeveelheid overgedragen lading toeneemt met de toename van de intensiteit van het elektrische veld.

een –d Iso-oppervlak van ladingsaccumulatie en uitputting van monolaag-blueP/g-GaN heterostructuur onder E _ext van respectievelijk 0,3 eV/Å, 0,5 eV/Å, − 0,3 eV/Å en − 0,7 eV/Å. Oranje en lichtgroene iso-oppervlakken vertegenwoordigen respectievelijk positieve ladingsaccumulatie en ladingsdepletie. e Planair gemiddelde elektronendichtheid Δρ(z ) bij ander elektrisch veld voor monolaag-blauw-P/g-GaN

Om duidelijk te maken dat hoe E _ext moduleert de elektronische eigenschap, wordt het geïntegreerde ladingsdichtheidsverschil van de monolaag-blauwe-P/g-GaN heterostructuur als functie van de loodrechte afstand berekend, weergegeven in figuur 4e. De positieve waarden in figuur 4e duiden op accumulatie van ladingen en de negatieve waarden vertegenwoordigen uitputting van de lading. Voor E _ext =0, het verschil in ladingsdichtheid van de heterostructuur wordt verkregen door ∆ρ =ρ_{heterostructuur} −ρ_g-GaN −ρ_blauw-P . De verandering van het vlakgemiddelde verschil in ladingsdichtheid op grensvlakken geeft aan dat de elektronen werden overgebracht van de g-GaN-laag naar de blauwe-P-laag over het grensvlak, terwijl de gaten aan de g-GaN-kant bleven. De oppervlaktegemiddelde differentiële lading met een elektrisch veld wordt berekend voor 0,3 eV/Å en − 0,3 eV/Å. De E _ext invloed kunnen uitoefenen op de overdracht van ladingen in de heterostructuur. Het kan worden omschreven als [29]

waarbij \( \int {\rho}_{E_{\mathrm{ext}}}\left(x,y,z\right) dxdy\ \mathrm{en}\int {\rho}_{E_0}\left (x,y,z\right) dxdy \) zijn de ladingsdichtheid bij (x , j , z ) punt in de supercel van de monolaag-BP/g-GaN heterostructuur met en zonder E _ext , respectievelijk. De richting van ladingsoverdracht geïnduceerd door de negatieve (blauwe lijn) E _ext is tegengesteld aan die van de positieve (rode lijn) E _ext . De geïntegreerde ladingsdichtheid illustreert kwantitatief dat de hoeveelheid overgedragen ladingen toeneemt met de sterkte van de E _ext . De waarde van de overdrachten van kosten voor de blauwe-P/g-GaN-heterostructuur met 0,3 eV/Å van E _ext is groter dan die van 0 eV/Å en − 0,3 eV/Å, omdat het positieve externe elektrische veld de ladingen lokaliseert in de richting van het aangelegde veld, waardoor de ladingen beperkt blijven tot g-GaN-vlakken.

Om de bijdragen van blauw-P en g-GaN in de bandstructuur te onderscheiden, wordt de geprojecteerde toestandsdichtheid van de heterostructuren berekend en weergegeven in figuur 5a. Het is te zien dat de bijdrage van VBM voornamelijk afkomstig is van de g-GaN, en de entrainment-bijdrage voornamelijk van de blauwe-P. Figuur 5b toont het iso-oppervlak van ladingsaccumulatie en uitputting van het monolaag-blauw-P/g-GaN en dubbellaags-blauw-P/g-GaN onder respectievelijk 0,5 eV/Å en 0,7 eV/Å extern veld. Vanwege de diëlektrische doorslag van het dubbellaags-blauw-P/g-GaN bij 0,7 eV/Å extern veld, zou de stroom die verband houdt met de ladingsoverdracht verzadigd zijn onder het toenemende externe veld, wat in overeenstemming is met dat in Fig. 3a.

een TDOS van dubbellaagse-blauwe-P/g-GaN heterostructuur. PDOS van P, Ga en N in heterostructuur. b Iso-oppervlak van ladingsaccumulatie en uitputting van monolaag-blauwe-P/g-GaN heterostructuur onder E _ext van respectievelijk 0,3 eV/Å, 0,5 eV/Å, − 0,3 eV/Å en − 0,7 eV/Å