Instelbare elektrische eigenschappen van dubbellaagse α-GeTe met verschillende tussenlaagafstanden en externe elektrische velden

Abstract

Op basis van eerste-principe berekeningen worden de stabiliteit, elektronische structuur, optische absorptie en gemoduleerde elektronische eigenschappen door verschillende tussenlaagafstanden of door externe elektrische velden van dubbellaags α-GeTe systemisch onderzocht. De resultaten laten zien dat van der Waals (vdW) dubbellaag α-GeTe een indirecte bandstructuur heeft met de gap-waarde van 0,610 eV, en α-GeTe heeft een aantrekkelijk efficiënte lichtopbrengst. Interessant is dat, samen met de afname van de afstanden tussen de lagen, de bandafstand van dubbellaags α-GeTe lineair afneemt, vanwege de verbetering van de vdW-interactie tussen de lagen. Bovendien is de overgang van de bandafstand afkomstig van het door het elektrische veld geïnduceerde nabije vrije elektronengas (NFEG) onder toepassing van positieve elektrische velden. Wanneer echter de negatieve elektrische velden worden toegepast, is er geen NFEG. Vanwege deze kenmerken van dubbellaags α-GeTe is een mogelijk apparaat voor gegevensopslag ontworpen. Deze resultaten geven aan dat dubbellaagse α-GeTe potentieel heeft om te werken in nieuwe elektronische en opto-elektronische apparaten.

Inleiding

Het succes van grafeen [1, 2] heeft enorm onderzoek gestimuleerd naar nieuwe tweedimensionale (2D) materialen, waaronder hexagonaal boornitride (h-BN) [3], overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) [4], overgangsmetaal carbiden (MXenen) en nitriden [5], en van der Waals (vdW) heterostructuren [6]. Deze 2D-materialen kunnen werken in elektronische of opto-elektronische toepassingen [7, 8] vanwege afstembare elektronische eigenschappen [9] en superieure flexibiliteit onder trekbelasting [10]. Er zijn echter min of meer uitdagingen in 2D-materialen, zoals de gemakkelijke afbraak van fosforeen in lucht [11], lage mobiliteit van gaten en zwakke absorptie van het zichtbare licht van indiumselenide (InSe) [12], evenals de nulbandafstand van grafeen [7], siliceen [13] en germaneen [14]. Daarom is het noodzakelijk om nieuwe 2D-materialen te onderzoeken met een uitstekende stabiliteit, hoge draaggolfmobiliteit en de gewenste bandafstand.

In de afgelopen jaren is bulk α-GeTe toegepast op verschillende gebieden, zoals niet-vluchtige phase-change geheugentechnologieën [15, 16], neuromimetische computertoepassingen en thermo-elektriciteit [17, 18]. Onlangs is nanogestructureerde α-GeTe op grote schaal gefabriceerd door atomaire laagafzetting (ALD) [17], damp-vast-vloeistof (VLS)-methoden [18] en chemische methoden met behulp van oppervlaktestabiliserende polymeren [19]. Nanogestructureerde α-GeTe [20] fasen hebben een hogere kristallisatietemperatuur en een lager smeltpunt dan bulk α-GeTe [19]. Het belangrijkste is dat α-GeTe een IV-VI-halfgeleider is met geknikte atomaire lagen waarin Ge- en Te-atomen zijn gebonden. Er is een zwakke vdW-kracht tussen de lagen van α-GeTe.

Zeer recent werden enkele laag α-GeTe nanosheets van twee tot vier lagen en zelfs monolaag α-GeTe verkregen door de toepassing van ultrasoonapparaat-ondersteunde vloeistoffase-exfoliatie op α-GeTe-poeder gedispergeerd in ethanol door Zhang et al. [21]. Er zijn echter maar weinig theoretische studies die zich richten op de modulerende elektronische eigenschappen van 2D α-GeTe met behulp van externe elektrische velden en verticale spanning, die beide de effectieve methoden zijn in bandgap-engineering [22]. Gezien het feit is de meerlaagse structuur meer beschikbaar dan monolaag in potentiële toepassingen. Dus de studie van dubbellaagse α-GeTe, de meest typische meerlaagse structuur, is essentieel voor de potentiële ontwikkeling van 2D α-GeTe nanosheet. In dit artikel worden, op basis van eerste-principeberekeningen, de stabiliteit, bandstructuren, optische absorptie en gemoduleerde elektronische eigenschappen door verschillende tussenlaagafstanden en door externe elektrische velden van dubbellaags α-GeTe systemisch onderzocht. Onze studies bewijzen dat de vdW dubbellaagse α-GeTe potentieel biedt voor nieuwe elektronische en opto-elektronische apparaten.

Berekeningsmethoden

Alle berekeningen worden uitgevoerd op basis van de spin-gepolariseerde dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) met behulp van de projected-augmented wave (PAW) -methode die is geïmplementeerd in het Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) [23, 24]. De gegeneraliseerde gradiëntbenadering van Perdew-Burke-Ernzerhof (GGA-PBE) [25] is geselecteerd om de elektronenuitwisseling en correlatie te beschrijven. De vdW-interactie wordt bekeken met behulp van een semi-empirische DFT-D3-methode [26]. De afsnijenergie van vlakke golf is ingesteld op 500 eV om de convergentie van de totale energie te verzekeren, en 15 × 15 × 1 k-punt meshes zijn geselecteerd voor integratie van de Brillouin-zone. Om de interacties tussen de periodieke platen te scheiden, is de vacuümruimte in de z richting is ingesteld op 30 Å. De roostervectoren en atomaire posities zijn volledig ontspannen totdat de kracht en energie zijn geconvergeerd tot 0,01 eV/Å en 10⁻⁵ eV, respectievelijk. Omdat de GGA-PBE-methode meestal de bandafstand van halfgeleiders onderschat, wordt de Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06) [27]-methode gebruikt om de kloofwaarden en bandranden voor halfgeleiders correct te berekenen. Zo worden de elektronische structuren en optische eigenschappen berekend met behulp van de HSE06. De fononbandstructuur wordt uitgevoerd met behulp van de dichtheidsfunctionele verstoringstheorie (DFPT) zoals geïmplementeerd in Phonopy [28], die de quasi-harmonische benaderingsmethode gebruikt om het potentiële energiehyperoppervlak in de buurten van de minimum-energiestructuur te analyseren.

Resultaten en discussie

Geometrische structuur

Monolaag α-GeTe heeft de hexagonale structuur met geknikte atoomlagen waarin Ge-atomen zich op de ene laag bevinden en Te-atomen in de andere laag. De geoptimaliseerde roosterparameters, bindingslengtes en hoeken van monolaag α-GeTe zijn a = b = 3.95 Å, L _Ge-Te = 2.776 Å, en θ =91,497°, respectievelijk. De roosterparameter monolaag α-GeTe komt ook overeen met een eerder rapport [21]. Voor dubbellaagse α-GeTe vdW-heterostructuren worden twee soorten mogelijk hoogsymmetrische stapelstructuren beschouwd, namelijk AA- en AB-stapeling, zoals weergegeven in figuur 1. AA-stapeling vertoont een hexagonale stapelrangschikking. AB-stapelen heeft de Bernal-stapelfunctie als de structuur van bulk α-GeTe. De totale energieën van de twee stapelstructuren worden berekend om respectievelijk de relatieve stabiliteit te evalueren. Het resultaat laat zien dat de totale energie van AA-stapelen 147 meV minder is dan die van AB-stapelen. De stabielere structuur van de dubbellaagse α-GeTe is AA-stapeling, anders dan die van zijn bulk. Ook is de berekende evenwichtsafstand 2,920 Å voor AA-stapelende dubbellaagse α-GeTe. De berekende fonon-dispersie van AA-stapelende dubbellaag α-GeTe, gedemonstreerd in Fig. 2, geeft aan dat AA-stapelende dubbellaag α-GeTe stabiel is, vanwege geen denkbeeldige frequentie in het fonon-spectrum. Bovendien is in het experiment het stabiele tweelaagse α-GeTe verkregen [21]. Daarom wordt AA-stapelende dubbellaag α-GeTe voornamelijk besproken in de volgende sectie.

Bovenaanzicht (a ) en zijaanzicht (c ) van AA-stapelende dubbellaagse α-GeTe. Bovenaanzicht (b ) en zijaanzicht (d ) van AB-stapelende dubbellaag α-GeTe

Fonon-banddispersie van AA-stapelende dubbellaag α-GeTe

Elektronische structuren

Om de elektronische eigenschappen van dubbellaags α-GeTe duidelijk te begrijpen, worden de bandstructuur en geprojecteerde toestandsdichtheid (PDOS) van monolaag α-GeTe berekend, zoals weergegeven in figuur 3a. Het geleidingsbandminimum (CBM) ligt tussen M en Γ punten, terwijl het valentiebandmaximum (VBM) zich op Γ punt bevindt, wat aangeeft dat monolaag α-GeTe een indirecte bandgap-halfgeleider is met de energiekloofwaarde van 1,796 eV , in goede overeenstemming met eerdere resultaten [21]. Volgens de PDOS bestaat de CBM grotendeels uit de toestanden Ge-s, Ge-p en Te-p, terwijl de toestanden in de VBM worden toegeschreven aan de toestanden Ge-p en Te-p. Voor de dubbellaagse α-GeTe is de geprojecteerde bandstructuur uitgezet in figuur 3b, wat een indirecte band aangeeft met de gap-waarde van 0,610 eV. De CBM van dubbellaagse α-GeTe wordt gedomineerd door de neerwaartse laag, gelegen tussen M- en Γ-punten, terwijl de VBM voornamelijk wordt bijgedragen door de toestanden van de bovenste laag, die zich tussen Γ- en K-punten bevinden. Er is een interessant ding dat de geprojecteerde bandstructuur van dubbellaags α-GeTe de som lijkt te zijn van de monolaagcomponent, wat aangeeft dat er een typische zwakke vdW-interactie bestaat in dubbellaags α-GeTe. Om meer inzicht te krijgen in dubbellaagse α-GeTe, wordt de band-ontbonden ladingsdichtheid van de VBM en CBM berekend, zoals weergegeven in figuur 3c. De band-ontbonden ladingsdichtheid van de CBM en VBM zijn duidelijk verschillend. De toestanden van elektronen met de laagste energie en de gaten met de hoogste energie zijn respectievelijk gelokaliseerd in de onderlaag en de bovenlaag, die de effectieve scheiding van elektronen en gaten veroorzaken met type II bandranduitlijningen. Daarom vindt de ruimtelijk indirecte exciton-recombinatie plaats via de verspringende opening van de dubbellaag, wat belangrijk is voor opto-elektronische toepassingen [12].

een Bandstructuur en gedeeltelijke dichtheid van toestanden van monolaag α-GeTe. Geprojecteerde bandstructuur (b ) aangegeven met blauwe lijnen (laag naar beneden) en rode lijnen (laag naar boven) van dubbellaagse α-GeTe. Band-ontbonden ladingsdichtheid (c ) van de VBM en CBM voor dubbellaagse α-GeTe

Optische eigenschappen

Het is erg belangrijk om optische absorptie in opto-elektronische apparaten te bestuderen. Gebaseerd op de frequentieafhankelijke diëlektrische functie ε (ω ), de optische absorptiecoëfficiënt a (ω ) van monolaag en bilaag α-GeTe kan worden berekend volgens de formule [12, 22]:

$$ \alpha \left(\omega \right)=\sqrt{2}\omega {\left[\sqrt{\omega_1^2\left(\omega \right)+{\omega}_2^2\left( \omega \right)}-{\omega}_1\left(\omega \right)\right]}^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2 $}\rechts.} $$

waar ε ₁ (ω ) en ε ₂ (ω ) zijn respectievelijk het reële deel en het denkbeeldige deel van de complexe diëlektrische functie. In Fig. 4 worden de verkregen optische absorptiecoëfficiënten van monolaag, dubbellaag en bulk α-GeTe gedemonstreerd. Monolaag α-GeTe heeft drie absorptiepieken, in overeenstemming met de overgangen tussen de geleidingsband en de valentieband van monolaag α-GeTe. En er is duidelijke lichtabsorptie in de ultraviolette en diepe ultraviolette gebieden. Dubbellaags α-GeTe heeft echter ook een duidelijke lichtabsorptie in de zichtbare en infrarode gebieden. Net als dubbellaagse α-GeTe, vertoont bulk α-GeTe een brede optische absorptie, variërend van diep ultraviolet tot infrarood, en de optische absorptie-intensiteit kan de orde van 10⁵ bereiken. cm⁻¹ . Deze verbeterde optische absorptie-intensiteit wordt veroorzaakt door het verhoogde aantal lagen van bulk α-GeTe, vergeleken met monolaag en dubbellaags α-GeTe. -GeTe kan dus veelbelovende materialen zijn voor opto-elektronische toepassingen vanwege de efficiëntie van het gebruik van zonne-energie.

Absorptiecoëfficiënt van monolaag en bilaag α-GeTe

Effect van verticale spanning

Het toepassen van verticale spanning is een effectieve manier om de elektronische eigenschappen van dubbellaagse materialen te moduleren. Figuur 5a toont de band gap als functie van de afstanden tussen de lagen. De bindingsenergie (E _b ) wordt berekend door de vergelijking [22]:

$$ {E}_{\mathrm{b}}={E}_{\mathrm{b}\mathrm{ilayer}}-2{E}_{\mathrm{monolayer}} $$

waar E _dubbellaag en E _monolaag zijn de totale energieën van respectievelijk bilaag en monolaag α-GeTe. Met de tussenlaagafstandsvarianten van 2.420 tot 3.520 Å zijn de bindingsenergieën allemaal negatief. Wat nog belangrijker is, de afstand met d = 2.920 Å komt overeen met de minimumwaarde van de E _b , wat de meest stabiele structuur aangeeft. Bovendien kan de bandafstand van dubbellaags α-GeTe continu worden afgestemd door de verschillende tussenlaagkoppelingen. Bandhiaten nemen monotoon toe, maar de vorm van alle bandstructuren blijft ongewijzigd met de afstanden variërend van 2.420 tot 3.520 Å. In figuur 5b zijn bandstructuren uitgezet voor dubbellaagse α-GeTe met 2,420 Å en 3,520 Å tussenlaagafstanden. De CBM1 en VBM1 komen overeen met de tussenlaagafstand 3.520 Å, en de CBM2 en VBM2 zijn gerelateerd aan de tussenlaagafstand 2,420 Å. De CBM daalt terwijl de VBM stijgt samen met de afnemende afstanden tussen de lagen. De bandgap neemt toe met een toename van de tussenlaagafstand voor bilaag α-GeTe vanwege de verbetering van de vdW-tussenlaaginteractie en orbitale overlapping. Vergelijkbaar gedrag is te vinden in dubbellaagse InSe [22].

Variaties van bindingsenergie en band gap (a ) van dubbellaagse α-GeTe als functie van de afstand tussen de lagen. Bandstructuren (b ) van dubbellaagse α-GeTe met 2,420 Å en 3,520 Å tussenlaagafstanden

Effect van externe elektrische velden

Een andere effectieve manier om de elektronische eigenschappen van 2D vdW-dubbellagen af te stemmen, is het toepassen van verticale externe elektrische velden. Om geldige resultaten te krijgen, wordt een vlakke dipoollaag in het midden van het vacuümgebied uitgevoerd en wordt de symmetrie in alle berekeningen afgeblazen met de toepassing van elektrische velden [29]. Bovendien wordt de positieve richting gedefinieerd als wijzend van de neerwaartse laag naar de opwaartse laag. In Fig. 6 verandert de bandafstand van dubbellaagse α-GeTe subtiel, wanneer de waarden van het toepassen van elektrische velden (E _app ) variëren van 0,01 tot 0,64 V/Å. Wanneer E _app is kleiner (of groter) dan een kritieke waarde (E _c ), daalt de bandafstand van dubbellaags α-GeTe zeer snel en lineair. Vervolgens vindt de overgang van halfgeleider naar metaal van dubbellaags α-GeTe plaats totdat E _app is kleiner (of groter) dan een typische waarde (E _t ). Deze resultaten laten zien dat hoe groter de toegepaste elektrische veldsterkte, hoe sterker de hybridisatie tussen de twee lagen.

Variaties van de bandafstand van dubbellaagse α-GeTe als functie van het aanleggende verticale elektrische veld. De gekleurde horizontale stippellijnen zijn verschoven naar nul

Met name het bereik van E _c –E _t is 0,01-0,20 V/Å met de toepassing van negatieve elektrische velden, wat duidelijk groter is dan het bereik van E _c –E _t (0,64-0,72 V/Å) met de positieve aangelegde elektrische velden. Om de overgang van de bandgap onder de aangelegde verticale elektrische velden te begrijpen, zijn geprojecteerde bandstructuren van dubbellaagse α-GeTe onder de geselecteerde externe verticale elektrische velden berekend, zoals weergegeven in figuur 7. Wanneer E _app = − 0,20 en E _app = − 0.10 V/Å, de CBM en de VBM van dubbellaags α-GeTe worden ook bijgedragen door respectievelijk de neerwaartse laag en de opwaartse laag. De toepassing van verticale elektrische velden brengt zowel de CBM als de VBM dichter bij het Fermi-niveau, waardoor uiteindelijk een halfgeleider-metaalovergang wordt bereikt bij E _app = − 0,20 V/Å. Aan de andere kant, met een toename van de positief aangelegde elektrische velden, wordt het energieniveau van bandstructuren van de neerwaartse laag geleidelijk verhoogd, en vice versa wordt waargenomen voor de opwaartse laag. Dientengevolge worden de opwaartse en neerwaartse laag toegeschreven aan respectievelijk de CBM en de VBM van dubbellaags α-GeTe, wanneer E _app ≥ 0.64 V/Å. Bovendien verschijnen er extra geleidingsbanden onder de aangelegde positieve elektrische velden, die worden aangegeven door de cyaanlijn. Deze banden worden niet bijgedragen door de neerwaartse of opwaartse laag, die het kenmerk van bijna vrij elektronengas (NFEG) [30] laat zien. Het energieniveau van de NFEG-band daalt zeer snel met een toename van het aangelegde elektrische veld. Wanneer E _app ≥ E _c ~ 0.64 V/Å, de CBM bestond uit de NFEG-band. Wanneer E _app ≥ E _t ~~0,72 V/Å, de NFEG-band ligt dicht bij het Fermi-niveau en de VBM van de neerwaartse laag contact met de NFEG-band, wat de metalen bandstructuurfunctie aangeeft. En de neiging tot bandafstandvariatie van dubbellaags α-GeTe onder de positieve toepassing van elektrische velden wordt verder geanalyseerd. Voor E _app < E _c , is de band gap afhankelijk van het energieniveauverschil tussen de CBM en VBM, dat niet gevoelig is voor het aanleggen van elektrische velden. Daarom is de bandgap relatief stabiel. Voor E _c < E _app < E _t , neemt de NFEG-band de CBM over en domineert de verandering van de bandgap. Band gap neemt sterk en lineair af, naarmate het energieniveau van de NFEG-band sterk daalt. Voor E _app < E _t , gaat het energieniveau van de NFEG-band lager dan dat van de VBM. Vandaar dat de halfgeleider-metaalovergang van dubbellaags α-GeTe afkomstig is van de door het elektrisch veld geïnduceerde NFEG. Bovendien heeft dubbellaagse α-GeTe meer dan twee keer de E _t van dubbellaags InSe [29], wat aangeeft dat de halfgeleider-metaalovergang van dubbellaags α-GeTe meer spanning nodig heeft.

Geprojecteerde bandstructuur van dubbellaagse α-GeTe aangegeven met blauwe lijnen (onderlaag) en rode lijnen (bovenlaag) onder verschillende externe verticale elektrische velden

Op basis van de bovenstaande resultaten is een mogelijk gegevensopslagapparaat ontworpen dat gebruikmaakt van dubbellaagse α-GeTe, waarvan de schematische structuur is opgebouwd, zoals geïllustreerd in figuur 8. Dubbellaagse α-GeTe wordt overgebracht naar het dunne Si/SiO₂ substraten. Dezelfde Si/SiO₂ laag is bedekt op de dubbellaag α-GeTe om 2D α-GeTe tegen de lucht te beschermen. De grafeenfilm met groot oppervlak wordt overgebracht en gebruikt voor de source- en drain-elektroden vanwege de hoge optische transmissie en geleidbaarheid [31]. Native dubbellaagse α-GeTe is een halfgeleider met een hoge elektrische weerstand UIT-status tussen de source- en drain-elektroden. De door een elektrisch veld geïnduceerde NFEG kan de dubbellaagse α-GeTe moduleren tot de nul-gap met E _app ≥ E _t van onder naar boven Si, wat inhoudt dat er geen elektrische weerstand AAN staat tussen de source- en drain-elektroden. Zowel de NFEG- als de AAN-status kunnen binnen dit veldeffecttransistor (FET) -apparaat worden gehouden wanneer het aangelegde elektrische veld wordt teruggetrokken. Wanneer het negatieve elektrische veld wordt toegepast, wordt de NFEG in dubbellaagse α-GeTe gewist. Daarom kunnen de UIT- en AAN-statussen met de halfgeleidende en metalen bandstructuurfuncties worden opgeslagen in dubbellaagse α-GeTe-gebaseerde gegevensopslagapparaten.

Band gap van dubbellaagse α-GeTe als functie van het aanleggende elektrische veld. Inzet is het schematische model

Conclusie

Samenvattend wordt de stabiliteit van dubbellaags α-GeTe onderzocht door de bindingsenergieën en fononbanddispersie te berekenen op basis van vdW-gecorrigeerd eerste principe. De vdW dubbellaagse α-GeTe heeft een indirecte bandgap met een typische type-II banduitlijning. Vooral α-GeTe heeft een verbeterd optisch absorptiebereik en -intensiteit. Verder kan de bandafstand van dubbellaags α-GeTe worden afgestemd door het toepassen van verticale spanning en het toepassen van externe verticale velden. Alleen wanneer de positieve elektrische velden worden toegepast, bestaat de NFEG. En de door het elektrische veld geïnduceerde NFEG kan ervoor zorgen dat de band gap extreem snel varieert. Op basis van deze uitstekende eigenschappen wordt een mogelijk apparaat voor gegevensopslag op basis van dubbellaags α-GeTe voorgesteld. Deze resultaten verklaren het onderliggende mechanisme van de overgang van de bandgap voor dubbellaagse α-GeTe. Al met al zorgen de effectieve ladingsscheiding, het brede optische absorptiespectrum, de hoge optische absorptie-intensiteit en de NFEG-functie ervoor dat het dubbellaagse α-GeTe-potentieel materiaal werkt in op 2D-materiaal gebaseerde elektronische en opto-elektronische apparaten.

Afkortingen

2D:: Tweedimensionaal
ALD:: Atoomlaagafzetting
CBM:: Minimaal geleidingsband
DFT:: Dichtheidsfunctionaaltheorie
E _app :: Waarden van aangelegde elektrische velden
FET:: Veldeffecttransistor
GGA-PBE:: Gegeneraliseerde gradiëntbenadering van Perdew-Burke-Ernzerhof
h-BN:: Zeshoekig boornitride
HSE06:: Heyd–Scuseria–Ernzerhof
InSe:: Indiumselenide
MXenen:: Overgangsmetaalcarbiden
NFEG:: Nabij vrij-elektron gas
PAW:: Geprojecteerde versterkte golf
PDOS:: Geprojecteerde dichtheid van toestanden
TMD's:: Overgangsmetaal dichalcogeniden
VASP:: Wenen Ab initio simulatiepakket
VBM:: Maximale valentieband
vdW:: van der Waals
VLS:: Damp–vast–vloeistof

Bereiding van holle polyaniline micro-/nanosferen en hun verwijderingscapaciteit van Cr (VI) uit afvalwater Met oplossing verwerkte drielaagse structuur voor hoogwaardige perovskiet-fotodetector

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal