Monocouche g-GaN adsorbée sur métal alcalin :fonctions de travail ultrafaibles et propriétés optiques

Contexte

Comparé aux matériaux semi-conducteurs traditionnels, le GaN tridimensionnel est un matériau semi-conducteur à large bande interdite [1]. En tant que tel, il peut permettre le fonctionnement de l'équipement à une tension, une fréquence ou une température ultra-élevées et présente une efficacité lumineuse élevée, une bonne conductivité thermique, une résistance aux températures élevées, une résistance aux acides et aux alcalis et des propriétés anti-rayonnement. En tant que matériau optoélectronique, le GaN tridimensionnel a des applications potentielles dans l'impression laser et les disques compacts à haute densité de stockage, influençant potentiellement fortement la technologie de stockage informatique [2]. Ces dernières années, les matériaux bidimensionnels (2D) ont reçu une grande attention en raison de leurs propriétés optiques, mécaniques, électroniques et magnétiques fascinantes et de leur potentiel pour des applications multifonctionnelles [3,4,5,6,7,8,9]. Les matériaux 2D sont beaucoup plus minces que les matériaux en vrac, et les propriétés mécaniques, électroniques, thermiques et optiques de ces matériaux diffèrent considérablement de celles de leurs homologues en vrac [10]. Plus précisément, le GaN 2D est un matériau à large bande interdite avec des performances optoélectroniques améliorées. Très récemment, il a été synthétisé via une technique de croissance encapsulée améliorée par migration [11].

L'étude et la compréhension de l'interaction entre les atomes sur les surfaces solides est l'un des problèmes scientifiques fondamentaux dans le domaine de la physique des surfaces. Par conséquent, le contrôle de telles structures d'auto-assemblage est important pour le développement de nanodispositifs. Les atomes adsorbés sur une surface solide peuvent interagir indirectement par diffusion d'électrons ou distorsion élastique du substrat, l'interaction atomique à longue portée modulée par le substrat jouant un rôle important dans l'auto-assemblage atomique. Étant donné que les atomes de métaux alcalins peuvent facilement perdre des électrons, l'adsorption de métaux alcalins sur des matériaux semi-conducteurs peut les transformer en type n, ce qui réduira leur travail de sortie et modifiera leurs propriétés optoélectroniques [12]. Ces dernières années, de nombreux groupes de recherche ont rapporté des études sur les propriétés optoélectroniques des matériaux 2D adsorbés par des métaux alcalins [13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]. Par exemple, Chan et al. [13] ont étudié l'adsorption d'atomes de métaux alcalins sur le graphène et découvert la réduction du travail de sortie du graphène. Jin et al. [14] et Qiao et al. [15] ont étudié l'adsorption de métaux alcalins sur du graphène en utilisant la méthode des premiers principes et ont découvert que les propriétés optoélectroniques du graphène sont modifiées par l'adsorption de métaux alcalins. De nombreux travaux antérieurs ont étudié le fait que les propriétés électroniques et magnétiques des adsorptions d'adatomes sur le phosphorène noir et bleu, qui ont révélé que les adsorptions de surface fonctionnaient efficacement le système de phosphorène avec des caractéristiques spintroniques polyvalentes [16,17,18]. Cependant, les propriétés photoélectriques complètes du g-GaN adsorbé sur métal alcalin ne sont toujours pas claires.

Dans cet article, les structures de bandes, la densité d'états, les fonctions de sortie et les propriétés optiques du g-GaN vierge et du g-GaN adsorbé sur métal alcalin sont élaborés ; cette recherche est potentiellement importante pour la fabrication de dispositifs optoélectroniques et d'émission de champ à base de g-GaN.

Méthodes

Tous les calculs sont effectués en utilisant le Vienna Ab initio Simulation Package basé sur les premiers principes avec la théorie de la fonctionnelle de la densité [24]. L'approximation du gradient généralisé (GGA) sous la forme de la fonctionnelle de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [25] a été adoptée pour décrire l'interaction d'échange-corrélation. La méthode GGA-PBE s'est avérée très efficace pour la recherche de surface [26,27,28,29]. L'énergie de coupure cinétique pour l'ensemble de base d'ondes planes est de 500 eV. Dans la direction perpendiculaire du plan g-GaN, l'espace du vide a été réglé à 20 Å. La zone Brillouin a été décrite par un ensemble de k -points dans une grille 9 × 9 × 1 en utilisant le schéma Γ-centré. Tous les atomes sont complètement détendus jusqu'à ce que les forces de Hellmann-Feynman soient inférieures à 10 ^− 4 eV/Å et les changements d'énergie totale sont devenus inférieurs à 10 ^− 4 eV [29].

L'énergie d'adsorption pour les systèmes g-GaN adsorbés par des métaux alcalins a été calculée en utilisant la méthode de Cui et al. [12] D'après l'équation suivante :

où E _annonces est l'énergie d'adsorption, E _g-GaN et E _g-GaN:X désignent l'énergie totale du g-GaN vierge avant et après l'adsorption des métaux alcalins, respectivement, et μ_X est le potentiel chimique d'un seul atome de métal alcalin. Sur la base de cette équation, une valeur négative de E _annonces dénote une structure stable.

La différence de densité de charge est décrite comme

où ρ _T , ρ _g , et ρ _x sont la charge totale sur le g-GaN adsorbé par un métal alcalin, le g-GaN vierge et l'atome d'adsorption, respectivement.

Résultats et discussions

La figure 1 montre le modèle de g-GaN pour quatre sites d'adsorption différents ; le T_N site est directement au-dessus de l'atome N, le T_Ga site est directement au-dessus de l'atome Ga, le T_B site est au-dessus du milieu de la liaison N-Ga, et le T_M site est au-dessus du centre d'un hexagone. Le E calculé _annonces de g-GaN adsorbé sur métal alcalin est indiqué dans le tableau 1. Tous les E _annonces de sites différents sont négatifs, ce qui démontre que la procédure d'adsorption des métaux alcalins sur g-GaN est exothermique et que tous les systèmes d'adsorption sont stables. Ces résultats sont similaires à ceux obtenus pour les nanofils de GaN adsorbés sur métaux alcalins [12]. De plus, les résultats calculés indiquent que la position la plus stable est le T_M site; ainsi, les discussions suivantes ne concernent que le T_M site d'adsorption.

Modèle de g-GaN avec différents sites d'adsorption

Les paramètres de réseau du g-GaN vierge et adsorbé par des métaux alcalins sont présentés dans le tableau 2. Les paramètres de réseau du g-GaN vierge sont de 3,254 Å, ce qui est en bon accord avec les résultats précédents [30,31,32,33]. De plus, les paramètres de réseau du g-GaN adsorbé par Li ou Na sont un peu plus petits que ceux du g-GaN vierge, alors que le g-GaN adsorbé par K, Rb et Cs sont plus grands que ceux du g-GaN vierge. . Fait intéressant, à mesure que le nombre atomique des atomes de métaux alcalins augmente, les paramètres de réseau du g-GaN adsorbé sur des métaux alcalins augmentent. Les longueurs de liaison du N-X ou du Ga-X sont affichées dans le tableau 2. Les longueurs des liaisons du N-X ou du Ga-X augmentent avec l'augmentation du nombre atomique des atomes de métaux alcalins. La hauteur d'adsorption du g-GaN adsorbé par des métaux alcalins est indiquée dans le tableau 2, qui indique que la hauteur d'adsorption augmente avec l'augmentation du nombre atomique des atomes de métaux alcalins.

Les structures de bande du g-GaN vierge et adsorbé sur métal alcalin sont illustrées sur la figure 2. La figure 2a montre clairement que la structure de bande du g-GaN vierge présente un caractère semi-conducteur, avec une bande interdite de 2,1 eV. Ce résultat est en bon accord avec les rapports précédents [30,31,32,33]. Cependant, les structures de bande pour le g-GaN adsorbé sur métal alcalin montrent que les niveaux de Fermi sont entrés dans la bande de conduction, comme le montre la figure 2b–f ; ainsi, le système g-GaN adsorbé sur métal alcalin présente un caractère métallisé, avec un écart apparaissant à environ - 1,8 eV sous le niveau de Fermi, et l'écart du g-GaN adsorbé sur métal alcalin est d'environ 1,92 eV. De plus, le g-GaN se transforme en semi-conducteur de type n après adsorption des métaux alcalins en raison de la tendance des métaux alcalins à perdre des électrons, ce qui entraîne une augmentation du niveau de Fermi à l'intérieur de la bande de conduction.

Structures de bande pour g-GaN vierge et adsorbé sur métal alcalin :a g-GaN vierge, b g-GaN adsorbé au Li, c g-GaN adsorbé par Na, d g-GaN adsorbé sur K, e g-GaN adsorbé sur Rb et f g-GaN adsorbé sur Cs. Le niveau de Fermi est indiqué par des lignes pointillées vertes

La densité totale d'états (TDOS) et la densité partielle d'états (PDOS) du g-GaN vierge et adsorbé par des métaux alcalins sont montrées sur la figure 3. Sur la figure 3a, la TDOS du g-GaN vierge démontre qu'il est un semi-conducteur, compatible avec le résultat de la structure de la bande. Les calculs PDOS montrent que le maximum de bande de valence pour le g-GaN vierge provient des orbitales N-2p et Ga-4p, en accord avec les résultats précédents [34, 35]. Pour comprendre les états électroniques près du niveau de Fermi, nous avons calculé le PDOS du g-GaN adsorbé sur métal alcalin. Comme le montre la figure 3b–f, les états des électrons près du niveau de Fermi sont principalement régis par les orbitales Ga-4s, N-2p et 2s des métaux alcalins.

Densité d'états pour le g-GaN vierge et adsorbé sur métal alcalin :a g-GaN vierge, b g-GaN adsorbé au Li, c g-GaN adsorbé par Na, d g-GaN adsorbé sur K, e g-GaN adsorbé sur Rb et f G-GaN adsorbé sur Cs

Le transfert de charge est un aspect important du système d'adsorption. La différence de densité de charge avec une valeur d'isosurface de 0,002 e/Å ³ pour le g-GaN adsorbé par des métaux alcalins est illustré à la Fig. 4. Il est intéressant de noter que les distributions d'électrons se situent entre tous les atomes de métaux alcalins et les trois atomes N sous-coordonnés. Par conséquent, le g-GaN adsorbé sur métal alcalin est formé par chimisorption. De plus, la grande région cyan localisée sur l'atome de métal alcalin suggère un transfert important de l'atome de métal alcalin au g-GaN. L'analyse des charges de Bader montre qu'il y a environ 0.8833|e|, 0.7803|e|, 0.7997|e|, 0.7905|e|, 0.7936|e| transfert de Li, Na, K, Rb, Cs vers g-GaN. Ainsi, tous les résultats ci-dessus ont confirmé l'image selon laquelle les interactions dans le g-GaN adsorbé par des métaux alcalins sont des liaisons ioniques.

La différence de densité de charge pour le g-GaN adsorbé sur métal alcalin. un g-GaN/Li, b g-GaN/Na, c g-GaN/K, d  g-GaN/Rb, e g-GaN/Cs. Les régions magenta et cyan indiquent respectivement le gain et la perte d'électrons. La valeur de l'isosurface est fixée à 0,002 e/Å ³

La fonction de travail est un facteur critique pour équilibrer les propriétés optoélectroniques des matériaux. Le travail de sortie des matériaux est égal au niveau de vide déduit du niveau de Fermi. Pour révéler une faisabilité intrigante, nous avons étudié le réglage du travail de sortie du g-GaN par adsorption de métal alcalin. La figure 5 montre le schéma du travail de sortie du g-GaN vierge et du g-GaN adsorbé sur métal alcalin. Le travail de sortie du g-GaN vierge est de 4,21 eV, ce qui est légèrement supérieur à celui des nanofils de GaN [12]. Les fonctions de sortie sont de 2,47, 1,88, 1,49, 1,29 et 0,84 eV pour le g-GaN adsorbé par Li-, Na-, K-, Rb- et Cs, respectivement ; ainsi, le travail de sortie du g-GaN est considérablement réduit après l'adsorption d'un adatome de métal alcalin. De plus, les travaux de sortie du g-GaN adsorbé sur métal alcalin sont inférieurs à ceux des nanofils de GaN adsorbé sur métal alcalin [12]. La principale raison peut être due à la différence de structure entre la monocouche de GaN et les nanofils. De plus, la diminution de la fonction de travail démontre que le g-GaN adsorbé sur un métal alcalin peut être utilisé pour des dispositifs d'émission sur le terrain.

Le schéma du travail de sortie pour le g-GaN vierge et adsorbé sur métal alcalin

Ensuite, nous nous tournons vers l'étude de l'effet de l'adsorption de métal alcalin sur les propriétés optiques du g-GaN. Les propriétés optiques des matériaux peuvent être représentées par la partie réelle ε ₁ (ω ) et partie imaginaire ε ₂ (ω ) de la fonction diélectrique, absorption a (ω ), réfractive n (ω ), réflectivité R (ω ), fonction de perte d'énergie L (ω ), et les spectres de coefficient d'extinction K (ω ), comme rapporté précédemment [36,37,38,39,40]. La vraie partie ε ₁ (ω ) en fonction de ω pour le g-GaN vierge et adsorbé par des métaux alcalins est illustré à la Fig. 6a. Le ε ₁ (0 ) du g-GaN vierge est de 1,48, et le ε ₁ (0 ) de g-GaN adsorbé sur métal alcalin est de 2,33 (Li), 3,13 (Na), 3,56 (K), 3,81 (Rb) et 3,81 (Cs). Les données montrent que le ε ₁ (0 ) du g-GaN adsorbé par un métal alcalin est supérieur à celui du g-GaN pur ; ainsi, les propriétés optiques du g-GaN sont très sensibles et accordables. De plus, lorsque l'énergie est supérieure à 15 eV, la tendance de la partie réelle du spectre est identique à celle correspondant à l'adsorption par différents métaux alcalins. La partie imaginaire ε ₂ (ω ) en fonction de ω pour le g-GaN vierge et adsorbé par des métaux alcalins est illustré à la Fig. 6b. Deux pics étroits situés à 6,18 et 10,76 eV, qui proviennent de la transition des électrons N-2p dans les états s des cations, sont déplacés vers des énergies plus basses lors de l'adsorption des métaux alcalins. De plus, un pic élevé apparaît à 1,22 eV après l'adsorption de métaux alcalins.

Les parties réelles et imaginaires du g-GaN vierge et adsorbé par des métaux alcalins : a pièces réelles, b parties imaginaires

La figure 7 montre le coefficient d'absorption et les indices de réfraction pour le g-GaN vierge et adsorbé sur des métaux alcalins. Sur la figure 7a, le bord d'absorption du g-GaN vierge commence à 2,77 eV ; cette absorption provient de la transition électronique excitée des états N-2p situés au sommet de la bande de valence vers les états vides du cation 2 s. Le spectre du g-GaN vierge montre deux pics situés à 6,28 et 10,95 eV ; ces pics présentent un décalage vers le rouge après adsorption des métaux alcalins. De plus, les intensités des deux pics diminuent suite à l'adsorption des métaux alcalins. De plus, un nouveau pic émerge à 1,61 eV suite à l'adsorption de métaux alcalins, et divers pics apparaissent à des énergies supérieures à 12,46 eV dans les spectres du g-GaN adsorbé sur K, Rb et Cs. Ces résultats indiquent que les matériaux g-GaN adsorbés par des métaux alcalins présentent une large plage d'ajustement de leurs spectres d'absorption. De plus, les coefficients d'absorption pour le g-GaN vierge et adsorbé par des métaux alcalins sont liés à la partie imaginaire et à l'indice d'extinction, comme le montrent les Fig. 6b et 8c. Comme le montre la figure 7b, les valeurs de n (0 ) sont 1,22 (prime), 1,53 (Li), 1,78 (Na), 1,89 (K), 1,99 (Rb) et 1,99 (Cs). Le n (0 ) les valeurs pour le g-GaN vierge et le g-GaN adsorbé sur métal alcalin sont légèrement inférieures à celles obtenues pour les nanofils de GaN vierge et les nanofils de GaN adsorbé sur métal alcalin [12]. Avec l'augmentation de la photo-énergie, l'indice de réfraction du g-GaN vierge atteint une valeur maximale d'environ 1,65 à 5,88 eV, tandis que les indices de réfraction du g-GaN adsorbé par des métaux alcalins atteignent une valeur maximale d'environ 1,75–2,25 à 0,7–2 eV. De plus, les indices de réfraction du g-GaN vierge et du g-GaN adsorbé sur métal alcalin atteignent une valeur minimale d'environ 11,41 eV. Enfin, les indices de réfraction restent inchangés avec une valeur de 0,91 lorsque la photoénergie est supérieure à 15 eV.

Le coefficient d'absorption et les indices de réfraction pour le g-GaN pur et adsorbé par des métaux alcalins : a coefficient d'absorption, b indices de réfraction

Le coefficient de réflectivité, la fonction de perte d'énergie et le coefficient d'extinction pour le g-GaN vierge et adsorbé sur métal alcalin :a coefficient de réflectivité, b fonction de perte d'énergie, c coefficient d'extinction 

Le coefficient de réflectivité R (ω ) pour le g-GaN vierge et adsorbé par des métaux alcalins est illustré à la Fig. 8a. Un fort pic de réflexion est situé à 11,3 eV pour le g-GaN vierge ; cependant, l'intensité maximale diminue après l'adsorption de métal alcalin. De plus, un nouveau pic de réflexion apparaît dans la région de basse énergie (0-2,5 eV), ce qui indique que le spectre de réflexion est étendu après l'adsorption des métaux alcalins. La fonction de perte d'énergie L (ω ) pour le g-GaN vierge et adsorbé par des métaux alcalins est illustré à la figure 8b ; les données montrent que le pic le plus important pour le g-GaN vierge est situé à environ 11,57 eV, tandis que le pic le plus important pour le g-GaN adsorbé par des métaux alcalins apparaît à 11,12 eV. L'intensité maximale du g-GaN adsorbé sur métal alcalin est inférieure à celle du g-GaN vierge ; ainsi, la perte d'énergie est plus lente pour la transmission des électrons dans le g-GaN adsorbé sur métal alcalin. De plus, le g-GaN adsorbé sur métal alcalin est un composé stable. Le coefficient d'extinction K (ω ) de g-GaN vierge et adsorbé par des métaux alcalins est illustré à la figure 8c. Le coefficient d'extinction pour le g-GaN adsorbé sur métal alcalin est similaire au coefficient de réflectivité. Ainsi, les propriétés optiques du g-GaN peuvent être ajustées via l'adsorption d'atomes de métaux alcalins, ce qui est utile pour la fabrication de dispositifs optoélectroniques.

Conclusions

Les propriétés électroniques et optiques des systèmes g-GaN adsorbés par des métaux alcalins ont été étudiées à l'aide de la théorie fonctionnelle de la densité. Les résultats sont résumés comme suit :(1) tous les g-GaN adsorbés par des métaux alcalins sont plutôt stables, le site d'adsorption le plus stable étant le T_M site. (2) L'adsorption d'atomes de métaux alcalins sur g-GaN se produit par chimisorption. (3) Un comportement de dopage n peut être trouvé dans le g-GaN après l'adsorption d'adatomes de métaux alcalins. (4) Le travail de sortie du g-GaN est considérablement réduit à la suite de l'adsorption de métaux alcalins, le système g-GaN adsorbé sur Cs présentant un travail de sortie minimum de seulement 0,84 eV, ainsi, le système g-GaN adsorbé sur Cs a une application potentielle dans les appareils à émission de champ. (5) L'adsorption des métaux alcalins peut entraîner une augmentation de la constante diélectrique statique et étendre le spectre d'absorption du g-GaN. Par conséquent, l'adsorption de métaux alcalins peut être utilisée pour décorer et agrandir les propriétés optoélectroniques du g-GaN, qui peut être utilisé pour produire des dispositifs photoélectriques.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

GGA :

Approximation de gradient généralisé

g-GaN :

Nitrure de gallium de type graphène

PBE :

Perdew-Burke-Ernzerhof

PDOS :

Densité partielle d'états

TDOS :

Densité totale d'états