Prestaties van heterojunctie corrigeren op basis van α-borophene nanoribbons met edge passivation

Resultaten en discussie

De berekende stroom −voltage (I −V ) krommen van heterojuncties Mn H, M ^′ n H, en Mn N binnen het biasbereik van -1,0 tot 1,0 V worden respectievelijk getoond in Fig. 3a-c. Van deze ik −V curven, kunnen we duidelijk zien dat met de toename van positieve bias, de stroom snel toeneemt in alle drie soorten knooppunten. Met de toename van de negatieve voorspanning neemt de stroom door de knooppunten echter langzamer toe. De ik −V krommen hebben duidelijk asymmetrische kenmerken onder de hele bias, wat betekent dat de kruispunten een rectificatiegedrag hebben binnen het biasbereik. Het rectificatie-effect in de heterojunctie wordt voornamelijk veroorzaakt door de asymmetrie van de verschillende nanoribbons aan de linker- en rechterkant en de vorming van het grensvlak in het centrale verstrooiingsgebied. Om de sterkte van het rectificatiegedrag te evalueren, gebruiken we de gegevens voor de I −V krommen om de rectificatieverhouding (RR) te berekenen, die wordt gedefinieerd als RR (V )=|Ik (+V )|/|Ik (−V )|, waar I (±V ) vertegenwoordigt de stroom onder positieve en negatieve voorspanning. De berekende RR's van de drie typen knooppunten Mn H, M ^′ n H, en Mn N binnen het voorspanningsbereik van 0,1 V −0,5 V worden respectievelijk getoond in Fig. 3d-f. Voor type Mn H, de RR van M1H is slechts 3 bij 0,2 V, terwijl die van M10H 115 kan bereiken bij dezelfde bias. Evenzo geldt voor de M ^′ n N type bij bias 0,2 V, de RR van M ^′ 1H is 3 en die van M ^′ 10H is maximaal 90. Bovendien geldt voor de Mn N-type, de RR van M1N is 2 bij 0,3 V, terwijl die van M10N tot 240 reikt. Verder, door zorgvuldige observatie op Fig. 3, vinden we dat de grootte van de stroom en RR kunnen worden geregeld door de grootte van de halfgeleidergedeelte van de junctie. In het bijzonder wordt enerzijds de stroom in de junctie verminderd naarmate het aantal primitieve cellen van het halfgeleiderdeel toeneemt. Aan de andere kant wordt de RR significant verhoogd naarmate het aantal primitieve cellen toeneemt. Aangezien de rechterkant van de heterojunctie een halfgeleider nanoribbon met een band gap is, neemt de kans op elektronentunneling exponentieel af naarmate de lengte van de halfgeleider toeneemt. Dientengevolge, in de heterojuncties van Mn H, M ^′ n H, en Mn N, als n neemt toe, neemt RR aanzienlijk toe. Dit resultaat komt goed overeen met eerdere studies over de heterojuncties op basis van andere 2D-materialen [44–46].

De ik -V kenmerken en rectificatieverhoudingen voor de drie typen heterojuncties, waarbij a –c komen overeen met ik -V bochten voor knooppunten Mn H, M ^′ n H, en Mn N (n =1, 2, 5, 8, 10) binnen het biasbereik van respectievelijk (− 1,1) V. De inzet in c is de vergrote I -V krommen van Mn N binnen het biasbereik. d –f De rectificatieverhoudingen dienovereenkomstig berekend uit de I-V gegevens

De I . vergelijken −V krommen en RR's tussen de drie typen heterojuncties die worden getoond in Fig. 3, vinden we dat de variatie van I −V curven en RR's voor Mn H en M ^′ n H hebben dezelfde trends. Die voor Mn N zijn significant verschillend. Om het verschil in transporteigenschappen van de drie soorten knooppunten te verklaren, hebben we de transmissiespectra berekend onder nul voorspanning getoond in Fig. 4, waar de bandstructuren van de linker- en rechterelektrode worden vergezeld. Uit deze transmissiespectra kan men zien dat alle kruispunten een transmissiegat hebben nabij het Fermi-niveau, waar we de magenta stippellijn gebruiken om de positie van de opening aan te duiden. De reden voor het bestaan ​​van de transmissiekloof is dat de energiebandstructuur van de rechterelektrode een opening heeft nabij het Fermi-niveau. De bandstructuur van de linker- en rechterelektrode komt dus niet overeen, waardoor het transportkanaal wordt gesloten en de elektronen van de linkerelektrode de rechterelektrode niet kunnen bereiken. Dit is ook de fysieke oorsprong van de zwakke stroom bij de lage voorspanning. Bovendien toonde de vergelijking van Fig. 4a, b en Fig. 4a, c aan dat de transmissiespectra van Mn H en M ^′ n H onder nul vooringenomenheid heeft vergelijkbare trends; echter, de trends van Mn H en Mn N zijn nogal verschillend. Dit wordt bepaald door de mate waarin de bandstructuren van de linker en rechter elektroden nabij het Fermi-niveau overeenkomen. Het linker metalen nanolint van de kruising M ^′ n H verandert van Z α BNR naar 1H-Z α BNR vergeleken met Mn H. De mate waarin de linker- en rechterelektroden bij het Fermi-niveau overeenkomen, is vrijwel onveranderd. Echter, voor Mn N, het rechter halfgeleider nanolint is veranderd van 2H-Z α BNR naar N-Z α BNR vergeleken met Mn H. De band gap wordt vergroot van 0,43 eV naar 1,0 eV, wat resulteert in een afname van de mate van afstemming van de linker- en rechterelektroden nabij het Fermi-niveau. Daarom zijn de transporteigenschappen van Mn H en M ^′ n H zijn bijna hetzelfde, terwijl de Mn H en Mn N zijn duidelijk verschillend. Dit resultaat geeft aan dat het veranderen van het metalen nanolint aan de linkerkant een klein effect heeft op de transporteigenschappen van de kruising; het veranderen van het juiste halfgeleider-nanolint van het rechterdeel heeft hier echter een grote invloed op.

De bandstructuur van de linker- en rechterelektrode, waar het Fermi-niveau op nul is ingesteld en de magenta stippellijnen geven de bandafstand van de rechter halfgeleiderelektrode aan. De transmissiespectra bij nul bias voor heterojuncties a Mn H, b M ^′ n H, en c Mn N met n =1 (rode stippellijn), 5 (blauwe stippellijn) en 10 (groene ononderbroken lijn) worden respectievelijk weergegeven in het middelste deel van elk cijfer

Om de details van het rectificatiegedrag voor de heterojuncties verder te begrijpen, hebben we de transmissiespectra bij verschillende bepaalde vooroordelen berekend, zoals weergegeven in Fig. 5, waar het bovenstaande / onderstaande deel de transmissiespectra van de kruising toont onder de positieve / negatieve bias. Volgens de Landauer-Büttiker-formule weten we dat de stroom in de junctie direct gerelateerd is aan het geïntegreerde gebied van het transmissiespectrum binnen het biasvenster [47-49]. Uit het transmissiespectrum dat in figuur 5 wordt getoond, kunnen we zien dat de drie typen modellen een gemeenschappelijke trend hebben. In het biasvenster neemt het geïntegreerde gebied van het transmissiespectrum af naarmate het aantal primitieve cellen in het halfgeleidergedeelte toeneemt. Dit is de reden waarom de stroom in de heterojunctie afneemt naarmate het aantal cellen in het halfgeleidergedeelte toeneemt, zoals weergegeven in figuur 3. Figuur 5a toont de transmissiespectra van de heterojuncties Mn H bij ± 0,3 V. Voor M1H is het integrale oppervlak van het transmissiespectrum in het biasvenster bij 0,3 V slechts iets groter dan − 0,3 V. De stroom van 0,3 V is dus slechts iets hoger dan − 0,3 V, en de RR is slechts 3 bij de bias van 0,3 V. Voor M5H en M10H is het integrale gebied van het transmissiespectrum onder positieve bias in het biasvenster echter aanzienlijk groter dan onder negatieve bias. Dit leidt ertoe dat de stroom van de M5H en M10H onder positieve voorspanning groter is dan onder negatieve voorspanning, en de RR is veel groter dan M1H. Afbeelding 5b toont de transmissiespectra van M ^′ n H bij ± 0,3 V. Uit de figuur kan men zien dat de transmissiespectra van M ^′ n H in het bias-venster zijn bijna hetzelfde als Mn H. Daarom, onder dezelfde voorspanning, de stroom en de RR van M ^′ n H en Mn H zijn bijna hetzelfde [zie Fig. 3b, e]. De transmissiespectra van Mn N bij ± 0,9 V wordt getoond in Fig. 5c. Omdat de transmissiecoëfficiënten in het biasvenster te klein zijn, vergroten we de transmissiespectra in het biasvenster en bevestigen deze als een inzet aan de rechterbenedenhoek van figuur 5c. De trend van het M1N-transmissiespectrum in het biasvenster is vergelijkbaar met de M1H en M ^′ 1H. Daarom is de RR van M1N ook klein. Voor M5N en M10N is het integrale gebied van het transmissiespectrum onder positieve bias in het biasvenster veel groter dan het gebied onder negatieve bias. Daarom, vergeleken met M1N, zijn de asymmetrische kenmerken van deze I −V bochten zijn duidelijker. Dit houdt in dat ze een grote rectificatieverhouding hebben. Het is vermeldenswaard dat de RR van M10N 240 kan bereiken, wat de beste is van de drie typen heterojunctie.

De transmissiespectra voor heterojuncties a Mn H bij een bias ± 0,3 V, b M ^′ n H bij een bias ± 0,3 V, en c Mn N bij een bias ± 0,9 V met dezelfde keuze van n in lijnkleuren voor Fig. 4, waarbij in elke figuur het bovenste / onderste deel voor de transmissie met de positieve / negatieve bias. De twee verticale (magenta) ononderbroken lijnen geven het biasvenster aan. De inzet in Fig. 5c is een versterking van de transmissiespectra in het biasvenster

Om het transmissiespectrum in Fig. 5 intuïtiever te verklaren, tonen we de transmissie-eigentoestand van M5H en M ^′ 5H om V =0,3 V, E =− 0,15 eV, en V =− 0,3 V, E =0,15 eV in respectievelijk Fig. 6a en b. En de transmissie-eigentoestand van M5N bij V =0,9 V, E =− 0,45 eV, en V =− 0,9 V, E =0,45 eV worden getoond in Fig. 6c [15, 16, 49]. De analyse van transmissie-eigentoestanden kan worden verkregen door de voortplantende Bloch-toestanden \(\sum _{m}C_{a,m}\psi _{m}\) lineair te combineren. De C _{een ,m} kan worden afgeleid uit de diagonalisatie van de transmissiematrix, d.w.z. \({\sum \nolimits }_{n}T_{mn}C_{a,n}\)=λ _een C _{een ,m} , waar λ _een is de transmissie-eigenwaarde. Zoals te zien is in figuur 6, bevindt de transmissie-eigentoestand onder negatieve voorspanning zich voor alle heterojuncties in het metalen deel (niet-gepassiveerde Z α BNR en 1H-Z α BNR). Bij positieve bias is de transmissie-eigentoestand meestal gelokaliseerd aan de linkerkant. Het vormt echter een transmissiekanaal in de heterojunctie. De elektronen kunnen worden overgedragen van de linker elektrode naar de rechter elektrode. Daarom is in het biasvenster de transmissiecoëfficiënt onder positieve bias groter dan de onder negatieve bias. In vergelijking met Fig. 6a met b, kan men zien dat de transmissie-eigentoestand van M ^′ 5H en M5H zijn slechts een klein beetje verschillend. Dus de heterojuncties M ^′ 5H en M5H hebben bijna dezelfde transmissiecoëfficiënten in het biasvenster. Bovendien, voor M5N, omdat de bandafstand van het halfgeleidergedeelte toeneemt, wat resulteert in een meer dramatische elektronische verstrooiing in de heterojunctie. Daarom kunnen slechts enkele van de transmissie-eigentoestanden naar de rechterkant worden verzonden. Dit leidde tot de transmissiecoëfficiënt van Mn N in het biasvenster is kleiner dan die van de andere twee typen heterojunctie. Ondertussen, met dezelfde bias, de stroom van Mn N is de kleinste van de drie soorten heterojuncties.

De transmissie-eigentoestanden voor heterojunctie a M5H bij bias − 0,3 V met E =0,15 eV (boven) en bij bias 0,3 V met E =− 0,15 eV (lager), b M ^′ 5H bij − 0,3 V met E =0,15 V en bij 0,3 V met E =− 0,15 eV, en c M5N bij bias =− 0,9 V met E =0,45 eV en bij 0,9 V met E =− 0,45 eV, respectievelijk. De isowaarden zijn vastgesteld op 0,2 Å ⁻³ e V ⁻¹ voor alle eigentoestanden

Ten slotte, om het effect van de linker en rechter nanoribbons op de transporteigenschappen met heterojuncties verder te onderzoeken, toont figuur 7 de geprojecteerde dichtheid van toestanden (PDOS) van de drie soorten heterojuncties. Uit Fig. 7a kan men zien dat de PDOS-spectra bijgedragen door de linker elektroden (niet-gepassiveerde Z α BNR) van de knooppunten M1H, M5H en M10H met elkaar overlappen nabij het Fermi-niveau. Dit geeft aan dat de PDOS die wordt bijgedragen door de linkerelektrode nauwelijks wordt beïnvloed door de verlenging van het halfgeleider-nanoribbon (2H-Z α BNR) in het centrale verstrooiingsgebied. De PDOS-spectra bijgedragen door de rechterelektrode (2H-Z α BNR) heeft een gat in de buurt van het Fermi-niveau. Dit wordt veroorzaakt door een bandgap nabij het Fermi-niveau van de rechterelektrode [zie figuur 3c]. Beïnvloed door de uitbreiding van het intermediaire verstrooiingsgebied 2H-Z α BNR, de PDOS-spectra die worden bijgedragen door de rechter elektroden van knooppunten M1H, M5H en M10H verschillen sterk van elkaar in het energiebereik buiten de bandgap. Aangezien er geen essentieel verschil is tussen de twee elektroden voor heterojunctie M ^′ n H en Mn H, de rechter elektrode is hetzelfde en de linker elektrode is een metalen lint. Dus de PDOS van M ^′ n H en Mn H zijn bijna hetzelfde in de buurt van het Fermi-niveau, zoals weergegeven in Fig. 7a, b. Dit is een van de redenen waarom het transmissiespectrum, I −V krommen en RR van Mn H en M ^′ n H zijn vergelijkbaar onder lage bias [zie Fig. 3 en 5]. In Fig. 7c presenteren we de PDOS van de Mn N. Doordat de band gap van het halfgeleiderdeel in de heterojunctie groter wordt, wordt het effect van de linker elektrode op de transmissie-eigenschappen kleiner. Daarom overlapt PDOS elkaar binnen een groter energiebereik nabij het Fermi-niveau. Het PDOS-spectrum dat wordt bijgedragen door de rechterelektrode bestaat uit een kloof in het energiebereik van (− 0,5, 0,5) eV. Ze zijn consistent met de positie van de opening met de N ZBNR-bandstructuur. Uit de PDOS kunnen we concluderen dat de metalen elektrode aan de linkerkant weinig effect heeft op de transporteigenschappen van het intermediaire verstrooiingsgebied. De elektrode van het halfgeleidergedeelte aan de rechterkant is echter van cruciaal belang voor de transporteigenschappen van het tussenliggende verstrooiingsgebied.

De geprojecteerde toestandsdichtheid (PDOS) van de linker niet-gepassiveerde ZBNR-elektrode (bovenste) en de rechterelektrode (1H-Z α BNR, 2H −ZBNR of N-Z α BNR) (lager) voor a Mn H, b M ^′ n H, en c Mn N met dezelfde keuze van n in lijnkleuren voor respectievelijk Afb. 5