Réglage des propriétés électroniques des hétérostructures GaN van der Waals de type phosphorène/graphène bleu par champ électrique externe vertical

Introduction

Les matériaux bidimensionnels (2D) tels que le graphène [1], les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) [2], le phosphorène noir (BP) [3] et le GaN de type graphène (g-GaN) [4] ont été projecteurs, en raison de leurs propriétés physiques fascinantes et de leurs applications potentielles dans les appareils. En tant que domaine de recherche en plein essor, la manière dont les hétérostructures sont assemblées à partir des atomes isolés reste un domaine de recherche passionnant. Il est considéré comme une nouvelle façon de construire des dispositifs, qui intègre les propriétés de chaque composant isolé avec des propriétés idéales appliquées en nanoélectronique [5, 6]. En raison de l'interaction des couches atomiques [7], ces hétérostructures possèdent des propriétés exceptionnelles par rapport aux matériaux 2D purs, et leurs propriétés sont préservées sans dégradation lorsqu'elles sont liées entre elles de manière couche par couche. A ce jour, de nombreux efforts ont été faits pour obtenir des hétérostructures de van der Waals (vdW). Il convient de noter que les hétérostructures vdW à base de phosphorène bleu (blue-P) telles que blue-P/TMDs [8,9,10] et blue-P/graphène [11] ont attiré une attention croissante en raison de leur excellente électronique et caractéristiques optiques.

Parmi les matériaux semi-conducteurs 2D mentionnés ci-dessus, la monocouche bleu-P a été préparée par croissance épitaxiale sur des substrats Au (111) pour la première fois en 2016 [7]. Z. Zhang et. Al. ont prédit la croissance épitaxiale de monocouches de bleu-P sur des substrats de GaN (001) et proposé un mécanisme de croissance non conventionnel en « demi-couche ». Il est également souligné que le bleu-P est plus stable à la surface du GaN (001) en raison de l'affinité chimique entre le phosphore et le gallium et du bon appariement de réseau [12]. Le Blue-P, constitué d'une seule couche d'atomes de phosphore ondulée verticalement, suscite un intérêt de recherche intense en raison de ses superbes propriétés telles qu'une bande interdite importante et une mobilité élevée [13, 14]. De plus, le g-GaN, en tant que nouveau matériau 2D, peut être synthétisé expérimentalement au moyen d'une technique de croissance encapsulée assistée par migration (MEEG) [15]. La simulation théorique a montré que le g-GaN est un semi-conducteur avec une bande interdite indirecte, qui peut être efficacement manipulée par un champ électrique externe [16]. Comme d'autres matériaux 2D, le g-GaN peut également être hydrogéné et halogéné de manière pratique. Toutes ces études ont montré que le g-GaN est un semi-conducteur 2D alternatif pour des applications dans de nombreux domaines importants à l'avenir. Le paramètre de réseau du g-GaN pourrait bien correspondre au bleu-P, ce qui indique que le bleu-P/g-GaN est un système de matériau idéal pour la construction d'hétérostructures, ainsi qu'une excellente couche d'insertion pour le réglage de leurs propriétés électroniques en l'interaction entre les couches. À cet égard, il importe d'étudier les propriétés électroniques et optiques des hétérostructures bleu-P/g-GaN vdW. Cependant, peu de recherches ont été investiguées pour étudier les propriétés des hétérostructures bleu-P/g-GaN vdW [17, 18].

Dans ce travail, les propriétés structurelles électroniques et la tendance à la variation de l'énergie de la bande interdite (E _g ) avec le champ électrique externe vertical (E _poste ) dans le bleu-P/g-GaN, les hétérostructures vdW sont évaluées et réalisées en utilisant les calculs des premiers principes avec une fonction d'échange-corrélation corrigée par vdW.

Méthodes de calcul

Les structures de bande et les propriétés électriques des hétérostructures monocouche et bicouche blue-P/g-GaN vdW ont été étudiées à l'aide du Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP) [19], qui est basé sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) [20 , 21] dans un ensemble de base d'ondes planes avec le potentiel de la méthode des ondes augmentées du projecteur (PAW) [22, 23]. L'approximation du gradient généralisé (GGA) avec la fonction Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [24] est adoptée pour décrire l'énergie de corrélation d'échange d'électrons. Étant donné que l'approximation GGA-PAW sous-estime généralement le E _g des semi-conducteurs, la fonctionnelle d'hybridation HSE06 est réalisée pour les corriger. L'effet de l'interaction vdW [25] est décrit par la méthode DFT-D2 de Grimme. Ici, une énergie de coupure de 500 eV pour la base d'onde plane a été définie pour assurer la convergence de l'énergie totale. Une épaisseur de vide de 20 Å le long du Z la direction des hétérostructures bleu-P/g-GaN est ajoutée pour éliminer l'interaction avec les images de répliques parasites. Les positions atomiques sont optimisées jusqu'à ce que la tolérance de convergence de la force sur chaque atome soit inférieure à 0,001 eV/Å. La première intégration de la zone de Brillouin est utilisée par une grille fine de 7 × 7 × 1 pour l'optimisation de la structure et de 21 × 21 × 1 pour le calcul de l'état électronique.

Résultats et discussion

Plusieurs structures présentées dans nos travaux précédents ont été étudiées comme référence pour obtenir la structure la plus stable des hétérostructures bicouches [18]. Les constantes de réseau optimisées sont de 3,25 et 3,20 pour bicouche-bleu-P et g-GaN, respectivement, dont les valeurs sont en accord avec les études rapportées [9, 26]. Le décalage de maille est d'environ 2% seulement [18]. Afin d'obtenir la configuration d'énergie minimale et d'évaluer la stabilité thermique des structures, la couche bleu-P est déplacée par rapport à la couche de g-GaN et la configuration d'énergie la plus basse est trouvée par des quantités finies δ_{x /y} . L'évolution de la différence d'énergie totale en fonction de δ_x et δ_y est montré dans nos études précédentes [18]. La figure 1a montre les structures atomiques de côté et de dessus de bicouche-bleu-P sur g-GaN. Le mode d'empilement optimal des bicouches bleu-P est cohérent avec l'article précédent [27]. La figure 1b montre la relation entre l'énergie de liaison (E _b ) à l'interface et la distance intercouche de blue-P et g-GaN (d _bleu-P/g-GaN ). Sa définition a été décrite en détail dans nos études précédentes [18]. Le E _b est d'environ 49 meV pour le bleu-P monocouche avec une distance d'équilibre de 3,57 Å. Pour la bicouche, l'énergie de liaison est presque la même que celle de la couche simple, alors que la distance d'équilibre est de 3,52 Å. Ces énergies de liaison ont le même ordre de grandeur que les autres cristaux vdW, tels que BP/graphène [E _b =60 meV] [11], bleu-P/graphène [E _b =70 meV] [6], et bicouche bleu-P [E _b =25 meV] [27].

un Vue latérale et de dessus du bicouche blue-P sur g-GaN. b Énergie de liaison en fonction de la distance d _bleu-P/g-GaN pour le système monocouche et bicouche. L'encart montre le zoom près du minimum de l'énergie de liaison

La figure 2a-b affiche les structures de bande de l'hétérostructure monocouche-bleu-P/g-GaN et bicouche-bleu-P/g-GaN, avec E _g de 1,26 eV et 1,075 eV calculés en utilisant GGA, respectivement. Pour la méthode HSE06, le E _g est de 2,2 eV et 1,91 eV, respectivement. Pour les deux hétérostructures, les états d'énergie minimale dans la bande de conduction sont proches du point M et les états d'énergie maximale dans la bande de valence sont au point K, les deux points ne sont pas au même moment cristallin dans la zone de Brillouin. Ainsi, la bande interdite est une bande interdite indirecte pour les deux hétérostructures semi-conductrices. Le E _g de l'hétérostructure monocouche-bleu-P/g-GaN diminue de 0,63 eV par rapport à la monocouche-bleu-P (1,89 eV), tandis que le E _g de bicouche-bleu-P (1,118 eV) rétrécit de 0,043 eV contrairement à l'hétérostructure bicouche-bleu-P/g-GaN. La flexion de la bande peut être obtenue à partir de la différence entre les niveaux de Fermi du blue-P avec le système g-GaN et le blue-P autonome [28] :ΔE _F =W − W _P , où W est la fonction de sortie du système composé (blue-P/g-GaN), et W _P est la fonction de travail du bleu-P immaculé. Le ΔE _F de - 1,17 eV et - 0,81 eV pour les hétérojonctions monocouche-bleu-P/g-GaN et les hétérojonctions bicouche-bleu-P/g-GaN sont obtenues respectivement, comme le montre la Fig. 2c, d. Comme on peut le voir, le type d'alignement des bandes d'énergie est le gap décalé (type II) aux interfaces pour toutes les hétérostructures monocouche-bleu-P/g-GaN et les hétérostructures bicouche-bleu-P/g-GaN.

Structures de bande de a hétérostructure monocouche-bleu-P/g-GaN, et b hétérostructure bicouche-bleu-P/g-GaN, respectivement; alignements de bandes et fonctions de travail liées à c hétérostructure monocouche-bleu-P/g-GaN et d hétérostructure bicouche-bleu-P/g-GaN

L'hétérostructure est souvent soumise à un champ électrique externe pour régler ses propriétés électroniques lorsqu'elle est appliquée à des dispositifs nanoélectroniques. Afin d'étudier l'influence du E _poste sur la structure électronique, les structures de bandes sont calculées avec différents E _poste pour les hétérostructures bleu-P/g-GaN. Comme indiqué dans les travaux précédents, la structure géométrique de l'hétérostructure peut être négligée, mais la structure de la bande change considérablement sous différents E _poste [29]. La figure 3a montre l'évolution du E _g en fonction du E _poste de − 1,0 eV/Å à 1,0 eV/Å. La direction de E _poste du haut (couche g-GaN) au bas (couche bleu-P) est pris comme direction avant. Il est clairement démontré que les hétérostructures monocouche-bleu-P/g-GaN et bicouche-bleu-P/g-GaN présentent une modulation de bande interdite avec le E _poste . Pour monocouche-bleu-P/g-GaN, dans le cas de l'avant E _poste , le E _g augmente linéairement avec l'augmentation de E _poste ≤ 0,4 eV/Å (plage d'augmentation L). La monocouche-bleu-P/g-GaN obtient son E maximum _g quand E _poste =0,5 eV/Å et montre peu de changement lorsque E _poste est de l'ordre de 0,4 <E _poste <0,6 eV/Å (plage de saturation), ce qui renforce les décalages de bandes pour favoriser la séparation des paires électron-trou. L'élargissement initial en E _g est attribué au contrepoids de E _poste dans une certaine mesure par le champ électrique intégré (E _int ). Le E _g arrive à une plage de diminution linéaire avec l'augmentation de E _poste> 0,6 eV/Å (plage de diminution L). Ainsi, l'hétérostructure montre un comportement métallique lorsqu'elle est soumise à un champ électrique plus intense. Cela provient du claquage diélectrique ainsi que de l'effet tunnel de charge. En revanche, le E _g diminue linéairement avec l'augmentation de E _poste (plage de diminution L) sous un E inversé _poste , causée par le décalage du bord de bande de bande de conduction minimum (CBM) vers le maximum de bande de valence (VBM). Cependant, lorsque E _poste =− 0,7 eV/Å, la bande interdite commence à diminuer fortement, ce qui peut être dû à la panne. Lorsque E _poste <− 0,8 eV/Å, l'hétérojonction bleu-P/g-GaN subit une transition du semi-conducteur au métal (gamme métal). Ces résultats révèlent que les deux E _g et la transition semi-conducteur à métal de l'hétérostructure bleu-P/g-GaN dépend de la synchronisation électrostatique, qui pourrait être utilisée dans des dispositifs électroniques et optoélectroniques hautes performances. De plus, l'effet de E _poste sur le E _g entre les bicouches de blue-P et de g-GaN, l'hétérostructure est la même que la couche unique mais avec un champ électronique plus petit pour la transition du semi-conducteur au métal.

un E _g contre E _poste des hétérostructures monocouche-bleu-P/g-GaN et bicouche-bleu-P/g-GaN. b –e Les structures de bandes de l'hétérostructure monocouche-bleu-P/g-GaN avec E _poste de 0,3 eV/Å, 0,5 eV/Å, − 0,3 eV/Å et 0,7 eV/Å. Le E _F est mis à 0, et indiqué par la ligne pointillée rouge

Pour explorer l'effet du champ électrique sur la structure de bande, la relation entre les structures de bande d'énergie et le champ électrique externe est calculée. Les structures de bandes des hétérostructures monocouche-bleu-P/g-GaN avec E _poste de 0,3 eV/Å, 0,5 eV/Å, − 0,3 eV/Å et 0,7 eV/Å sont illustrés à la Fig. 3b–e. Dans la Fig. 3b-c, sous les 0,3 eV/Å et 0,5 eV/Å de E _poste , le E _g augmente à 1,651 eV et 1,757 eV. Cela indique que le niveau quasi-Fermi de la monocouche g-GaN est décalé vers le bas et que le niveau quasi-Fermi de la monocouche bleu-P est levé vers le haut. Cependant, dans la Fig. 3d-e, pour les − 0,3 eV/Å et − 0,7 eV/Å de E _poste , le E _g diminuer à 0,888 eV et 0,49 eV. Le niveau quasi-Fermi du g-GaN se déplace vers le haut, et le niveau quasi-Fermi du bleu-P se déplace vers le bas. Les résultats montrent que la bande interdite varie linéairement avec le E vertical appliqué _poste , indiquant un effet Stark géant [30]. Lors de l'application d'un E vertical _poste , les états de sous-bande de la valence et de la valence de conduction subiraient un mélange, conduisant à une séparation induite par le champ des niveaux électroniques. La différence de potentiel électrostatique induite par le champ extérieur a considérablement modifié les structures électroniques à proximité du niveau de Fermi [31].

La figure 4a–d montre l'isosurface d'accumulation de charge (avec une couleur en orange) et d'épuisement (vert clair), qui montre le changement de densité de charge de l'hétérojonction bleu-P/g-GaN avec le E _poste valeur de 0,3 eV/Å, 0,5 eV/Å, − 0,3 eV/Å et − 0,7 eV/Å, respectivement. Lors de l'application d'un E avant _poste , comme le montrent les figures 4a-b, les charges positives (trous) ont tendance à être transférées de la couche bleu-P à la couche g-GaN, et les charges négatives (électrons) sont transférées de la couche g-GaN à la couche bleu-P. En même temps, on peut voir que la quantité de transfert de charge est supérieure à 0,3 eV/Å lorsque le champ électrique est de 0,5 eV/Å. Essentiellement, un champ électrique externe positif oriente la charge le long de la direction du champ de contrainte, limitant la charge au plan atomique, mais laissant la charge dans ces plans, facilitant ainsi le transfert de la charge du bleu-P au g-GaN. En revanche, le E négatif _poste induit l'accumulation/l'épuisement des électrons du côté opposé, comme le montre la figure 4c-d. Les champs électriques externes principalement négatifs positionnent la charge vers le champ de contrainte et transfèrent ainsi la charge du g-GaN au bleu-P. En conséquence, le niveau quasi-Fermi de la monocouche g-GaN et E _VBM augmenter, tandis que le niveau quasi-Fermi de la monocouche bleu-P et E _CBM diminuer, ce qui entraîne une réduction linéaire de la bande interdite. Simultanément, les électrons sont transférés du bleu-P au g-GaN sous un E inverse _poste . On constate que la quantité de charge transférée augmente avec l'augmentation de l'intensité du champ électrique.

un –d Isosurface d'accumulation de charges et d'épuisement de l'hétérostructure monocouche-blueP/g-GaN sous E _poste de 0,3 eV/Å, 0,5 eV/Å, − 0,3 eV/Å et − 0,7 eV/Å, respectivement. Les isosurfaces orange et vert clair représentent respectivement l'accumulation de charges positives et l'épuisement des charges. e Densité électronique moyenne planaire (z ) à différents champs électriques pour monocouche-bleu-P/g-GaN

Pour qu'il soit clair que comment E _poste module la propriété électronique, la différence de densité de charge intégrée de l'hétérostructure monocouche-bleu-P/g-GaN en fonction de la distance perpendiculaire est calculée, affichée sur la figure 4e. Les valeurs positives sur la figure 4e indiquent une accumulation de charge et les valeurs négatives représentent un épuisement de charge. Pour E _poste =0, la différence de densité de charge de l'hétérostructure est obtenue par ∆ρ =ρ_{hétérostructure} −ρ_g-GaN −ρ_bleu-P . Le changement de la différence de densité de charge moyenne plane aux interfaces indique que les électrons ont été transférés de la couche g-GaN à la couche bleu-P à travers l'interface, tandis que les trous sont restés du côté g-GaN. La charge différentielle moyenne en surface avec un champ électrique est calculée pour 0,3 eV/Å et - 0,3 eV/Å. Le E _poste peut exercer une influence sur le transfert de charges dans l'hétérostructure. Il peut être décrit comme [29]

où \( \int {\rho}_{E_{\mathrm{ext}}}\left(x,y,z\right) dxdy\ \mathrm{and}\int {\rho}_{E_0}\left (x,y,z\right) dxdy \) sont la densité de charge à (x , y , z ) point dans la supercellule de l'hétérostructure monocouche-BP/g-GaN avec et sans E _poste , respectivement. La direction du transfert de charge induit par le négatif (ligne bleue) E _poste est opposé à celui du positif (ligne rouge) E _poste . La densité de charge intégrée illustre quantitativement que la quantité de charges transférées augmente avec la force du E _poste . La valeur des transferts de charges pour l'hétérostructure bleu-P/g-GaN avec 0,3 eV/Å de E _poste est plus grand que celui de 0 eV/Å et − 0.3 eV/Å, car le champ électrique externe positif localise les charges le long de la direction du champ appliqué, confinant les charges aux plans g-GaN.

Afin de distinguer les contributions du bleu-P et du g-GaN dans la structure de bande, la densité d'état projetée des hétérostructures est calculée et représentée sur la figure 5a. On peut voir que la contribution du VBM provient principalement du g-GaN et que la contribution de l'entraînement provient principalement du bleu-P. La figure 5b montre l'isosurface d'accumulation et d'épuisement des charges de la monocouche-bleu-P/g-GaN et de la bicouche-bleu-P/g-GaN sous un champ externe de 0,5 eV/Å et 0,7 eV/Å, respectivement. En raison du claquage diélectrique de la bicouche bleu-P/g-GaN à un champ externe de 0,7 eV/Å, le courant lié au transfert de charge aurait saturé sous le champ externe croissant, ce qui est conforme à celui de la figure 3a.

un TDOS de l'hétérostructure bicouche-bleu-P/g-GaN. PDOS de P, Ga et N en hétérostructure. b Isosurface d'accumulation de charges et épuisement de l'hétérostructure monocouche-bleu-P/g-GaN sous E _poste de 0,3 eV/Å, 0,5 eV/Å, − 0,3 eV/Å et − 0,7 eV/Å, respectivement

Conclusion

En résumé, les propriétés structurelles et électroniques des hétérostructures vdW monocouche-bleu-P/g-GaN et bicouche-bleu-P/g-GaN vdW sont étudiées en utilisant des calculs de premier principe. Les résultats montrent que l'hétérostructure monocouche-bleu-P/g-GaN est un semi-conducteur à bande interdite indirecte avec un alignement de bande intrinsèque de type II. Le décalage de bande et E _g de monocouche-bleu-P/g-GaN et bicouche-bleu-P/g-GaN peuvent être réglés en continu par E _poste , et la relation entre E _g et E _poste indique un effet Stark. Le E _g devient nul à - 0,8 et 0,9 eV/Å pour la monocouche-bleu-P/g-GaN, et - 0,5 et 0,7 eV/Å pour la bicouche-bleu-P/g-GaN, indiquant une transition du semi-conducteur au métal.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

Bleu-P :

Phosphore bleu

BP :

Phosphore noir

CASTEP :

Ensemble d'énergie totale de série Cambridge

CBM :

Bande de conduction minimum

DFT :

Théorie fonctionnelle de la densité

GGA :

Approximation du gradient généralisé

G-GaN :

GaN de type graphène

MEEG :

Croissance encapsulée améliorée par la migration

PAW :

Projecteur vague augmentée

PBE :

Perdew-Burke-Ernzerhof

TMD :

Dichalcogénures de métaux de transition

VBM :

Bande de valence maximum

vdW :

van der Waals