Dépendance des électrons de valence forte et relations logiques des impuretés élémentaires dans un semi-conducteur binaire 2D :un cas de monocouche GeP3 à partir d'études Ab Initio

Introduction

Depuis la découverte du graphène [1, 2], la famille des cristaux bidimensionnels (2D) tels que les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) [3], le silicène [4], le germanène [5], le phosphorène [6], le tellurène [ 7], et ainsi de suite ont attiré une grande attention en raison de leurs propriétés électriques, optiques et magnétiques uniques [8,9,10]. Par exemple, le graphène se comporte comme des fermions de Dirac sans masse, ce qui donne lieu à une mobilité ultime des porteurs de charge élevée [11, 12]. Ainsi, il est prometteur de soutenir l'effet Hall de spin quantique 2D, la thermoélectricité améliorée, la supraconductivité [13] et même l'effet Hall anormal quantique [14,15,16]. Combinés au nombre croissant de bases de données disponibles sur la structure cristalline, des outils informatiques modernes ont été utilisés pour explorer des matériaux 2D nouvellement découverts. À ce jour, plus de 1000 matériaux 2D sont prédits et certains d'entre eux sont fabriqués expérimentalement [17,18,19], devenant ainsi un domaine intéressant en science physique, chimique et des matériaux. De telles études fondamentales et explorations de matériaux 2D augmentent également leurs grandes applications potentielles dans le domaine de la détection [20,21,22,23,24,25].

Récemment, Jing et al. signalé un nouveau matériau 2D-GeP₃ monocouche, qui a une stabilité chimique plus élevée que la monocouche BP et possède d'excellentes propriétés électroniques et optiques. De plus, le GeP₃ 2D monocouche semble avoir une propriété semi-conductrice en raison du fort confinement quantique intercouche. Ils ont découvert que le GeP₃ monocouche présente une bande interdite modérée et accordable d'environ 0,55 eV [26]. Basé sur la capacité élevée et la bonne stabilité cyclique, GeP₃ Le film mince est proposé pour les batteries lithium-ion comme une anode prometteuse [27]. Li et al. a également enquêté sur le GeP₃ nanoruban et découvert que les bandes interdites peuvent présenter des oscillations paires-impaires avec l'augmentation de la largeur [28].

Le dopage est une stratégie pratique pour ajuster fondamentalement les propriétés électroniques et magnétiques des matériaux hôtes en couches 2D [29]. En outre, il brise la limitation d'un seul matériau dans les applications de nombreux domaines et dispositifs. Comme nous le savons, le semi-conducteur monocouche 2D peut entraîner des interactions électron-électron remarquablement améliorées, dont il a été démontré qu'elles génèrent une renormalisation de large bande interdite et des excitons à partir de calculs théoriques et d'expériences à N corps [30, 31]. Par rapport au dopage dans les semi-conducteurs en vrac, le dopage dans les semi-conducteurs 2D devrait également présenter des comportements anormaux en raison du fort effet de confinement des électrons, c'est-à-dire que le graphène dopé au bore ou à l'azote est possible pour ouvrir une petite bande interdite au point de Dirac, et le La bande interdite du graphène peut également être ouverte efficacement autour des points K (ou K') en introduisant de petits domaines BN [32]. Les bandes interdites du phosphorène noir montrent un comportement oscillant en dopant différents éléments avec des nombres pairs ou impairs d'électrons de valence [33, 34]. Dans ce travail, nous tentons d'étendre l'investigation des éléments dopants du groupe IV-V en binaire 2D GeP₃ semi-conducteur monocouche.

Ici, nous avons effectué les études systématiques du GeP₃ dopé par substitution monocouche avec les dopants du groupe III à VI. Les propriétés électroniques des systèmes dopés seront considérablement affectées à la fois par le nombre d'électrons de valence des dopants et par les sites de dopage. Les grains centraux sont (1) pour un seul dopant, les résultats dépendent sensiblement des sites de substitution et la substitution sur deux types de sites de dopage produira des résultats totalement inverses. (2) Les propriétés conductrices du codopage peuvent être déduites par un opérateur logique à travers celles du dopant unique. De plus, l'énergie de formation calculée de différents types de dopage suggère que certains d'entre eux sont hautement énergétiquement favorables contre les fluctuations thermiques.

Méthodes de calcul

Tous nos calculs de théorie fonctionnelle de la densité dans l'approximation générale du gradient sont effectués à l'aide du Vienna ab initio Simulation Package [35]. Les termes d'échange et de corrélation ont été décrits avec la fonctionnelle de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE), et le potentiel d'onde augmenté du projecteur a été utilisé pour décrire l'interaction électron-ion [36,37,38]. Le GeP₃ dopé monocouche a été modélisée dans une supercellule périodique 2 × 2 contenant 32 atomes, et une supercellule plus grande de 3 × 3 a également été utilisée pour vérifier nos résultats. Un vide d'environ 20 Å le long du z direction a été adoptée afin d'éliminer l'interaction entre les couches voisines. Pour le dopage unique, un atome de Ge ou P a été remplacé par un dopant du groupe III (IV, V et VI). Les structures géométriques sont déterminées en comparant avec les résultats rapportés, y compris la constante de réseau et la propriété électronique de l'hôte GeP₃ monocouche. Dans les systèmes de dopage, tous les atomes des supercellules sont autorisés à se détendre jusqu'à ce que la force de Hellmann-Feynman soit inférieure à 0,02 eVÅ ⁻¹ , mais les constantes de réseau des cellules de surface sont fixes pendant la relaxation de l'atome. Une coupure d'énergie cinétique d'environ 600 eV et 6 × 6 × 1 k -des maillages ont été utilisés, respectivement [39].

Afin de vérifier la disponibilité des dopants dans le GeP₃ monocouche, l'énergie de formation (E _f ) de dopants X (X =groupe III–VI) est calculé selon les deux formules suivantes. Pour un seul dopant, nous avons les éléments suivants :

et pour le système de codopage, une formule similaire est utilisée :

où E _f (GeP₃ : X ) et E (GeP₃ ) sont les énergies totales du GeP₃ dopé X et intrinsèque monocouche avec la même supercellule. E (GeP₃ : XY ) est les énergies totales du système co-dopé XY, E _X et E _O sont les énergies atomiques des dopants X ou Y référencées à leurs structures en vrac correspondantes, et E _je , E _j sont les énergies des atomes substitués où i et j indiquent respectivement l'atome Ge ou P [40, 41].

Résultats et discussions

Oscillations paires-impaires pour les systèmes de dopage à élément unique

La figure 1a montre la vue de dessus et de côté de la structure du GeP₃ supercellule 2 × 2, et la figure 1b est la zone Brillouin 2D correspondante de GeP₃ monocouche. Les constantes de réseau optimisées de GeP₃ monocouche sont \( \mathrm{a}=\mathrm{b}=6.96\ {\AA} \), et la bande interdite calculée est d'environ 0,26 eV, ce qui est en bon accord avec d'autres calculs théoriques.

Structure géométrique et zone Brillouin de GeP₃ . un Vues de dessus et de côté de la géométrie optimisée de GeP₃ avec une supercellule 2 × 2. La ligne pointillée présente la maille unitaire de GeP₃ monocouche, S₁ représente le site de la position de substitution du site Ge, et S₂ représente le site de la position de substitution de l'atome P. b la zone 2D Brillouin de GeP₃ monocouche

Tout d'abord, nous avons tracé les structures de bande de GeP₃ dopé à un seul élément monocouche avec un atome de Ge de substitution (ici, nous choisissons B, C, N, O, Al, Si, P, S, Ga, As et Se comme dopants). Les résultats sont montrés dans les Fig. 2a–l, respectivement. On voit clairement que le niveau de Fermi monte et traverse les bandes de conduction pour le groupe V (N, P, As) en raison d'un dopant électronique de plus, tandis que pour les dopants du groupe III (B, Al, Ga) en raison d'un électron en moins, le on descend et traverse les bandes de valence. Par exemple, sur les figures 2f et j, leur maximum de bande de valence correspond simplement aux bandes partiellement occupées illustrées sur les figures 2e et i. Cependant, pour les dopants des groupes IV (C, Si et Ge) et VI (O, S et Se), en raison du même ou de deux électrons de plus que l'atome de Ge, les systèmes présentent une caractéristique semi-conductrice. Un tel accord de la transition semi-conducteur à métallique découle de l'occupation du nombre d'électrons de valence, à savoir l'occupation des électrons de valence impairs (pairs) conduit à des propriétés métalliques (semi-conductrices).

Structures de bandes des différents dopants dans GeP₃ monocouche avec un atome de Ge de substitution. un B, b C, c N, d Oh, e Al, f Oui, g P, h S, je Ga, j Pure GeP₃ , k Comme, l Sé. Structures de bande calculées pour une supercellule \( \mathsf{2}\times \mathsf{2} \) avec divers dopants dans GeP₃ monocouche du groupe III à VI, avec substituant l'atome de Ge, respectivement, avec celui de GeP₃ pur monocouche. Les fonctions PBE et HSE06 sont utilisées dans la rangée la plus haute

Pour confirmer la validité des résultats ci-dessus dérivés des fonctionnelles PBE, nous utilisons également les fonctionnelles de densité hybride (HSE06) pour vérifier les systèmes dopés de la rangée la plus haute. Il est clair que les fonctionnelles PBE donnent bien les erreurs de bandes interdites dues à la sous-estimation. Cependant, dans nos systèmes étudiés, tous ont des écarts importants, cela signifie que les erreurs entre les propriétés métalliques ou semi-conductrices causées par les fonctionnelles PBE ne se produiront généralement pas (C'est parce que dans certaines petites bandes interdites des semi-conducteurs, les fonctionnelles PBE donnent généralement lieu à l'erreur entre propriétés conductrices et propriétés métalliques). De plus, dans notre étude, ce qui nous intéresse, ce sont les caractéristiques métalliques ou semi-conductrices, au lieu des valeurs spécifiques des bandes interdites. Par rapport aux écarts dérivés des fonctionnelles PBE, les écarts des fonctionnelles HSE06 s'agrandissent nettement. Même avec ceux-ci, les oscillations métal-semi-conducteur restent intactes. Par conséquent, les ingrédients centraux tirés sur la base des fonctionnels PBE sont fiables.

Cependant, à l'opposé, les cas de substitution des atomes P par les mêmes dopants sont totalement inversés, comme le montrent les figures 3a–l, respectivement. C'est-à-dire que pour les dopants du groupe V (N, As) et du groupe III (B, Al, Ga), les systèmes dopés restent une propriété semi-conductrice, tandis que pour les groupes IV (C, Si, Ge) et VI (O, S, Se) dopants, ceux-ci se transforment en caractéristiques métalliques (ici, la même tendance se retrouve également entre les fonctionnelles PBE et HSE06). C'est parce que les électrons de valence gardent le même (deux de moins) que (que) le GeP₃ intrinsèque pour les dopants du groupe V (groupe III), mais un électron de moins (de plus) pour les dopants du groupe IV (VI).

Structures de bandes des différents dopants dans GeP₃ monocouche avec un atome de P de substitution. un B, b C, c N, d Oh, e Al, f Oui, g P, h S, je Ga, j Pure GeP₃ , k Comme, l Sé. Structures de bande calculées pour une supercellule \( \mathsf{2}\times \mathsf{2} \) avec divers dopants dans GeP₃ monocouche du groupe III à VI, avec des atomes de substitution P, respectivement, ainsi que celui de GeP₃ pur monocouche. Les fonctions PBE et HSE06 sont utilisées dans la rangée la plus haute

Pour mieux présenter les oscillations de la transition des propriétés semi-conductrices vers les propriétés métalliques, nous avons tracé la tendance changeante de la bande interdite en tant que différents dopants, comme le montrent les figures 4a et b, respectivement. Clairement, nous pouvons voir que la transition des propriétés semi-conductrices aux propriétés métalliques s'inverse radicalement. Plus précisément, des oscillations métalliques (semiconductrices)–semiconductrices (métalliques) se produisent en remplaçant le site Ge (P) comme dopants allant du groupe III au VI. En outre, nous avons également trouvé un phénomène intéressant qui montre que l'amplitude de la bande interdite reste presque la même que GeP intrinsèque₃ monocouche lorsque les dopants ont les mêmes électrons de valence que l'atome de Ge. Cependant, lorsque les dopants ont deux électrons de plus que l'atome de Ge, l'amplitude des bandes interdites change relativement plus. Néanmoins, pour les dopants au niveau des sites P, quel que soit le nombre d'électrons de valence, l'amplitude des bandes interdites change toujours de manière relativement importante. Cela peut être compris par l'effet conjoint du rayon de l'atome et des électrons de valence disponibles, à savoir les dopants avec presque le même rayon (plus petit ou plus grand) et les électrons de valence que (que) l'atome de Ge provoquent un effet relativement plus petit (plus grand) sur l'électronique. propriétés, telles que la bande interdite. Cela signifie que l'on peut non seulement régler les oscillations des transitions semi-conductrices-métalliques, mais aussi régler l'amplitude de la bande interdite en choisissant les dopants appropriés et les différents sites de dopage.

Bandes interdites de tous les systèmes à dopage simple. Bandes interdites de GeP₃ dopé monocouches avec les différents dopants allant du groupe V au VI. un la substitution des atomes de Ge et b les atomes de substitution P, respectivement

Afin de comprendre l'évolution des structures électroniques des différents dopants dans le GeP₃ monocouche, nous avons tracé la densité partielle d'états (PDOS) du groupe intrinsèque et de dopage IV-V dans GeP₃ monocouche, comme le montre la Fig. 5a–d, respectivement. On voit clairement que la bande de valence maximale (VBM) et la bande de conduction minimale (CBM) du GeP₃ monocouche provient principalement des deux orbitales p des atomes Ge et P. Lorsque les dopants avec le même nombre d'électrons de valence que l'atome de Ge, tels que C et Si, sont disponibles, il y aura des états d'impureté se situant juste au-dessus du VBM de GeP₃ intrinsèque monocouche car le niveau d'énergie orbital p de C et Si est supérieur à celui de l'atome P (voir Fig. 5a). Par conséquent, la propriété conductrice est intacte et l'amplitude du changement de bande interdite est relativement faible. Cependant, lorsque les dopants ont un électron de plus que l'atome de Ge, comme N, P et As, il y aura également des états d'impuretés dans la bande interdite et les états d'impuretés proviennent de l'hybridation de la division CBM (dominante) et des états de dopants (voir Fig. 5b).

DOS pour les systèmes dopés. La densité partielle d'états (à droite) pour les atomes du groupe IV (C, Si et Ge) et du groupe V (N, P et As) dopés GeP₃ . La ligne verticale en pointillé noir est le niveau de Fermi. (a) et (b) atome de Ge substitué, (c) et (d) atome de P substitué

Au contraire, pour le dopage sur le site P, lorsque les dopants ont un électron de valence de moins que l'atome P tel que le groupe IV, il y aura des états d'impureté à travers le niveau de Fermi, et les états d'impureté sont composés de VBM (dominant ) et les états des dopants. Alors que, lorsque les dopants ont le même nombre d'électrons de valence que l'atome P tel que le groupe V, les systèmes dopés conservent toujours une caractéristique semi-conductrice (voir Fig. 5c). Les bandes interdites deviennent relativement plus grandes que celle du GeP₃ intrinsèque monocouche en raison de la plus grande inadéquation des constantes de réseau. De plus, nous avons également observé que la bande interdite du dopant N est plus grande que celle du dopant As en substituant les atomes P. En effet, le niveau d'énergie orbital p de l'atome As est supérieur à celui de l'atome N, donc plus le niveau d'énergie p orbital est élevé, plus le décalage vers le haut des états d'impureté s'éloigne de VBM (voir Fig. 5d).

Relations logiques pour les systèmes de codopage

Sur la base des découvertes susmentionnées de dopants différents, nous pouvons donc être en mesure de concevoir des systèmes de codopage pour satisfaire les propriétés électroniques que nous voulons. Ici, nous ne montrons que les résultats de B, C, N et O à titre d'exemples pour illustrer l'effet de codopage, mais la conclusion est robuste par rapport aux différents dopants sélectionnés. Par exemple, sur le codopage du site Ge, les deux dopants avec un électron de valence de moins peuvent naturellement conduire à une propriété semi-conductrice, tandis que pour les deux dopants avec un nombre d'électrons de valence de moins en plus, les systèmes de codopage peuvent ainsi également ont une propriété semi-conductrice.

Cependant, pour les deux dopants avec un moins (plus) et le même électron de valence, les systèmes de codopage conservent toujours la propriété métallique car il en résulte un nombre de moins (plus) de dopants d'électrons de valence. Pour simplifier, cette idée est exactement confirmée par nos calculs ultérieurs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) des systèmes co-dopés, voir les résultats de la Fig. 6a–l pour les structures de bande de GeP co-dopé B, C, N et O3 monocouche.

Structures de bandes de systèmes co-dopés. Les structures de bandes de GeP₃ co-dopées par B, C, N et O monocouche. un –d Les deux dopants substituent deux atomes de Ge dans GeP₃ monocouche, e –h les deux dopants substituent deux atomes P, i –l les deux dopants remplacent respectivement un atome de Ge et un atome de P

Maintenant, nous pouvons donner un exemple d'opération de type logique « ET », définissant la propriété métallique sur « M » et la caractéristique semi-conductrice sur « S ». On définit les relations logiques :M ET M = S, S ET S = S, et M ET S = M, respectivement. Ici, ces résultats que nous avons obtenus ci-dessus obéissent à de telles relations de type logique, par exemple, les dopants avec un électron de valence de plus et un de moins résultent en propriété métallique, mais lorsque nous utilisons les deux dopants comme codopage, tels que B et N sur les sites Ge comme le montrent les Fig. 7a et b, les systèmes co-dopés deviennent des propriétés semi-conductrices comme prévu, voir Fig. 6c. Si nous choisissons GeP₃ co-dopé B-C système monocouche, il présente une caractéristique métallique qui est le cas de M ET S (voir Fig. 4a, b). Idem pour le codopage des atomes C-N, N-O et B-O dans GeP_3, en substituant deux atomes de Ge, deux atomes de P ou un atome de Ge et de P, comme indiqué sur les figures 7c–f, respectivement.

Bandes interdites de tous les systèmes co-dopés. L'ampleur des bandes interdites des GeP₃ co-dopés monocouche, les gauches sont le croquis des sites co-dopés, et les droites sont l'amplitude des bandes interdites correspondant aux éléments dopants. un , b Le cas des éléments dopants occupent les deux atomes de Ge. c , d Le cas des éléments dopants occupent les deux atomes P. e , f Le cas des éléments dopants occupent respectivement les atomes Ge et P

Enfin, nous avons vérifié la stabilité des systèmes à dopage simple et des systèmes co-dopés pour nous assurer qu'ils peuvent être réalisés plus loin dans l'expérience. L'énergie de formation est calculée à l'aide des équations. (1) et (2) pour les cas de dopage simple et de codopage, respectivement. Les résultats sont présentés sur la figure 8a–e. A partir des Fig. 8a et b, nous pouvons voir clairement que le E _f des dopants uniques dans les sites Ge sont tous proches de celui de GeP₃ monocouche (mise à zéro comme point de référence), à ​​l'exception des atomes C, N et S. Nous avons également remarqué que, pour les dopants des atomes B, O, P, Ge et Se, les énergies de formation sont beaucoup plus petites que celles des autres dopants, ce qui indique qu'ils sont très faciles à doper dans une expérience. Pour les dopants dans les sites P, les dopants des atomes B, O, P et Ge ont une énergie de formation relativement plus petite et ils sont également faciles à doper. C, N, Al et Ga ne sont pas faciles pour le dopage.

Énergie de formation de tous les systèmes dopés. L'énergie de formation calculée des systèmes de dopage et de codopage à élément unique. un , b sont l'atome de Ge et l'atome de P substitués par dopant, respectivement ; c –e Les co-dopants substitués par deux atomes de Ge, deux atomes de P, et un atome de Ge et un atome de P, respectivement

En ce qui concerne l'énergie de formation du codopage, les figures 8c-e sont l'énergie de formation du codopage avec où deux dopants occupent les positions de deux atomes Ge (notés sites Ge-Ge), deux atomes P (notés PP sites), un atome de Ge et un atome de P (appelés sites Ge-P), respectivement. Ici, nous ne montrons que les résultats des dopants de B, C, N et O à titre d'exemple. Pour les sites Ge-Ge et les sites P-P, l'énergie de formation du codopage peut être estimée grossièrement en faisant la moyenne des énergies de formation du dopage à élément unique séparément. De toute évidence, pour le codopage BB, BO et OO dans les sites Ge-Ge et le codopage BB, BO, NO et OO dans les sites P-P, les énergies de formation sont relativement faibles et peuvent être facilement réalisées dans l'expérience. Cependant, pour le codopage CC, CN et NN dans les sites Ge-Ge et le codopage CC et CN dans les sites P-P, les énergies de formation sont relativement plus importantes, ce qui indique qu'elles sont difficiles à doper expérimentalement. Pour le codopage des sites Ge-P, comme le montre la figure 8e, l'énergie de formation devient plus complexe que le codopage des sites Ge-Ge ou P-P car il y a un transfert de charge entre les dopants. Dans tous les cas, les codopages BB, BO et OO ont les énergies de formation les plus petites, tandis que les codopages CC, CN et NN ont des énergies de formation plus grandes. En général, l'énergie de formation dépend fortement du nombre d'électrons de valence du dopant. Plus précisément, lorsque les deux dopants ont un électron de moins (plus) que les atomes substitués, l'énergie de formation du système co-dopé est inférieure (supérieure) à celle des dopants uniques correspondants tels que les sites Ge co-dopés BB (NN). En effet, il existe une compétition entre l'énergie diminuée (augmentée) des électrons réduits (augmentés) des systèmes dopés et la répulsion de Coulomb. Pour le codopage trou-trou, l'énergie du premier cas est beaucoup plus grande que celle du dernier cas, ce qui entraîne une énergie de formation assez réduite dans les systèmes de codopage tels que BB, tandis que pour le codopage électron-électron, les deux les premiers et les derniers cas conduisent à l'énergie de formation plus élevée telle que NN. Cependant, pour les systèmes co-dopés aux trous et aux électrons tels que les sites Ge co-dopés BN, l'énergie de formation est considérablement plus faible que les cas correspondants à un seul dopé. En effet, dans un tel système co-dopé, il n'y a pas de gain d'énergie provenant des électrons nets ajoutés ou réduits dans les systèmes, et l'interaction de Coulomb joue un rôle décisif dans la formation de dopants co-dopés. Au total, en prenant en compte nos précédentes études de dopage d'éléments dans le phosphorène noir, il convient de souligner que nos études actuelles ont un certain degré d'universalité et sont attendues pour l'application d'autres monocouches semi-conductrices 2D, telles que BN, MoS_{2 ,} et ainsi de suite.

Enfin, pour vérifier la stabilité des systèmes dopés ci-dessus par rapport au cas non dopé, nous avons effectué l'AIMD (dynamique moléculaire ab initio) pour montrer l'énergie en fonction du temps, comme le montre la figure 9a–f. Nous pouvons voir clairement que l'amplitude oscillatoire sera convergente tant que le temps durera suffisamment (~ 4 ps), ce qui implique que les systèmes dopés ne s'effondreront pas contre une fluctuation thermique jusqu'à 300 K pour GeP_{3 dans la figure 9a. Même pour les GeP3 dopés aux atomes C les plus actifs , la température extrême peut aller jusqu'à 300 K, comme le montre la figure 9c. En outre, nous prenons également comme exemple la substitution du métal Al sur le site de Ge, le résultat calculé est montré sur les figures 9e et f, à partir desquelles nous pouvons voir clairement que l'amplitude d'oscillation de l'énergie diminue progressivement avec le temps, ce qui signifie que l'énergie pourrait être convergente tant que le temps dure suffisamment et que la structure du système dopé est thermiquement stable contre les fluctuations thermiques. Par conséquent, nous pouvons nous attendre à ce que de tels systèmes dopés puissent être réalisés dans d'autres expériences étant donné la haute qualité GeP3 monocouche est préparée.}

AIMD pour les systèmes dopés aux atomes C, deux C et Al. AIMD confirme la stabilité thermique de a GeP₃ dopé aux atomes C en remplaçant l'atome de Ge, c deux atomes C dopés GeP₃ en substituant deux atomes de P, et e GeP₃ dopé à l'atome Al avec substitution à 300 K. Les structures dans b C, d deux atomes C, et f Al correspondent à leurs structures finales après 4000 fs

En fin de compte, nous voulons discuter de la fiabilité de notre étude présentée ici. Nos conclusions présentées ici sont des résultats théoriques prédits mais sont très fiables. C'est parce que notre matériel hôte utilisé ici a été signalé et sa phase de masse de couches GeP₃ existe déjà [26]. Les phénomènes liés au dopage que nous avons étudiés doivent donc être confirmés davantage dans l'expérience une fois la monocouche GeP₃ est réalisé plus loin. Ensuite, le dopage des atomes correspondants pourrait être effectué. Pour simplifier, dopage électron ou trou en monocouche GeP₃ pourrait être réalisé par l'adsorption de certaines molécules.

Conclusion

En résumé, nous avons étudié les propriétés électroniques des dopants des groupes III à VI en 2D GeP₃ monocouche et constater que le GeP₃ dopé avec substitution sur le site Ge présente des oscillations métal-semiconducteur en fonction du nombre d'électrons de valence des dopants, alors que ces oscillations sont inversées avec substitution sur le site P. Sur la base des résultats des simples dopants, nous pourrions proposer les propriétés conductrices du co-dopage dans GeP₃ , qui peut être obtenu par une simple opération logique. Enfin, nous calculons les énergies de formation de divers dopants et trouvons que certains des systèmes co-dopés, en particulier pour le co-dopage électron-trou et trou-trou, sont plus énergétiquement favorables en raison de l'attraction de Coulomb. Nos découvertes présentent non seulement un nouveau phénomène, mais proposent également une voie intrigante pour régler les propriétés électroniques des semi-conducteurs binaires 2D.

Disponibilité des données et des matériaux

Les jeux de données générés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur simple demande.

Abréviations

1D :

Une dimension

2D :

Deux dimensions

AIMD :

Dynamique moléculaire ab initio

BP :

Phosphore noir

CBM :

Bande de conduction minimum

DFT :

Théorie fonctionnelle de la densité

HSE06 :

Densité hybride fonctionnelle

PBE :

Perdew-Burke-Ernzerhof

PDOS :

Densité partielle d'états

VBM :

Bande de valence maximum