Bandgaps in blauw‑fosforeen/grafeen‑achtig GaN van‑der‑Waals heterostructuren afstemmen via verticale elektrische velden

Samenvatting

Eerste‑principes dichtheidsfunctionaal‑berekeningen onthullen dat zowel mono‑ als bilagen blauw‑fosforeen/grafeen‑achtig GaN van‑der‑Waals (vdW) heterostructuren indirecte‑bandgap halfgeleiders zijn met een type‑II banduitlijning. De bandgap (E_g) kan lineair afgestemd worden door een extern verticaal elektrisch veld (E_ext), wat een uitgesproken Stark‑effect vertoont. Wanneer het veld een kritieke waarde overschrijdt (≈0,9 eV/Å voor de monolagen en ≈0,7 eV/Å voor de bilagen), ondergaat de heterostructuur een halfgeleider‑naar‑metaal overgang.

Inleiding

Twee‑dimensionale (2D) materialen – grafeen, overgangsmetaal‑dichalcogeniden, zwart fosforeen en de recent gerapporteerde grafeen‑achtige GaN (g‑GaN) – trekken aandacht vanwege hun opmerkelijke elektronische en optische eigenschappen en hun potentieel voor nano‑elektronische apparaten van de volgende generatie. Blauw fosforeen (blauw‑P), een golvende monolaag fosfor, is epitaxiaal gegroeid op Au(111) en GaN(001) substraten en biedt een aanzienlijke bandgap en hoge ladingmobiliteit. g‑GaN, gesynthetiseerd door migratie‑versterkte ingekapselde groei, is een indirecte‑bandgap halfgeleider die efficiënt gemoduleerd kan worden door een extern elektrisch veld. De nauwe rooster‑match (~2 %) tussen blauw‑P en g‑GaN maakt de blauw‑P/g‑GaN vdW heterostructuur een aantrekkelijk platform voor bandstructuur‑engineering en het verkennen van interlaag ladingsoverdracht.

Ondanks intensieve studies op blauw‑P/TMDs en blauw‑P/grafeen heterostructuren, is er weinig bekend over het elektronische gedrag van blauw‑P/g‑GaN systemen. Hier gebruiken we vdW‑gecorrigeerde DFT om de bandstructuur, banduitlijning en veld‑geïnduceerde bandgap‑modulatie van mono‑ en bilagen blauw‑P/g‑GaN heterostructuren te onderzoeken.

Computationele methoden

Het CASTEP‑pakket werd gebruikt voor golfgetal DFT‑berekeningen met een projector‑versterkte‑golf (PAW) basis. Uitwisselings‑correlatie‑effecten werden behandeld met de gegeneraliseerde gradiënt‑benadering (PBE), en de bandgap verfijnd met de HSE06 hybride functioneel. Van‑der‑Waals interacties werden opgenomen via Grimme's DFT‑D2 schema. Een 500 eV golfgetal‑afsnij en een 7 × 7 × 1 k‑punt‑rooster werden gebruikt voor geometrie‑optimalisatie; elektronische toestanden bemonsterd met een 21 × 21 × 1 rooster. Een vacuümlaag van 20 Å langs de c‑as zorgde voor verwaarloosbare interactie tussen periodieke beelden. Structurele relaxaties werden uitgevoerd tot krachten onder 0,001 eV/Å daalden.

Resultaten en discussie

Geoptimaliseerde roosterconstanten van monolagen blauw‑P en g‑GaN zijn 3,25 Å en 3,20 Å respectievelijk, wat een rooster‑mismatch van slechts ~2 % oplevert. De evenwichts‑interlaagaafstand is 3,57 Å voor de monolagen en 3,52 Å voor de bilagen, met bindingsenergieën van ≈49 meV – vergelijkbaar met andere vdW systemen zoals BP/grafeen.

Bandstructuur‑berekeningen tonen indirecte gaps van 1,26 eV (GGA) en 2,20 eV (HSE06) voor de monolagen heterostructuur, en 1,075 eV (GGA) / 1,91 eV (HSE06) voor de bilagen. Het geleidingsbandminimum ligt nabij het M‑punt terwijl het valentiebandmaximum op K ligt, wat een type‑II (gestaggerde) uitlijning bevestigt. Het werkfunctieverschil tussen het composiet en zuivere blauw‑P is ΔE_F = –1,17 eV voor de monolagen en –0,81 eV voor de bilagen, consistent met de waargenomen bandoffsets.

Toepassing van een verticaal extern veld (E_ext) moduleert E_g volgens een Stark‑achtige lineaire afhankelijkheid. Voor de monolagen neemt E_g toe met positieve velden tot 0,5 eV/Å, verzadigt vervolgens en daalt uiteindelijk wanneer het veld 0,6 eV/Å overschrijdt, en sluit de gap bij ≈0,9 eV/Å. De bilagen vertonen een vergelijkbare trend maar bereiken de halfgeleider‑naar‑metaal overgang bij een lager veld (≈0,7 eV/Å). Negatieve velden veroorzaken een lineaire reductie van E_g, met de gap die verdwijnt bij ongeveer –0,8 eV/Å voor de monolagen en –0,5 eV/Å voor de bilagen.

Lading‑dichtheidsanalyses onthullen dat het elektrisch veld elektronen drijft van de blauw‑P laag naar de g‑GaN laag onder positieve bias, en omgekeerd onder negatieve bias. De geaccumulerde lading is het sterkst bij ±0,5 eV/Å, wat de veld‑geïnduceerde ladingsoverdracht bevestigt die de Stark‑effect ondergrindt.

Geprojecteerde dichtheid‑van‑toestanden‑berekeningen wijzen erop dat het valentiebandmaximum gedomineerd wordt door g‑GaN toestanden, terwijl het geleidingsbandminimum voornamelijk afkomstig is van blauw‑P, wat de type‑II uitlijning versterkt.

Conclusie

Eerste‑principes berekeningen tonen aan dat monolagen en bilagen blauw‑P/g‑GaN vdW heterostructuren indirecte‑bandgap halfgeleiders zijn met type‑II banduitlijning. De bandgap kan lineair afgestemd worden door een verticaal elektrisch veld, met een uitgesproken Stark‑effect, en de structuren ondergaan een controleerbare halfgeleider‑naar‑metaal overgang wanneer het veld ≈0,9 eV/Å (monolagen) of ≈0,7 eV/Å (bilagen) overschrijdt. Deze bevindingen bieden een duidelijke weg voor het ontwerpen van elektrisch afstelbare 2D opto‑elektronische apparaten gebaseerd op blauw‑P/g‑GaN heterostructuren.

Afkortingen

2D

Twee‑dimensionaal

Blauw‑P

Blauw fosforeen

BP

Zwart fosforeen

CASTEP

Cambridge Serial Total Energy Package

CBM

Conduction band minimum

DFT

Dichtheidsfunctionaal‑theorie

GGA

Gegeneraliseerde gradiënt‑benadering

g‑GaN

Grafene‑achtig GaN

MEEG

Migratie‑versterkte ingekapselde groei

PAW

Projector augmented wave

PBE

Perdew‑Burke‑Ernzerhof

TMDs

Overgangsmetaal‑dichalcogeniden

VBM

Valence band maximum

vdW

Van der Waals