Structure électronique et transport dans les nanorubans d'InSe : effets de bord et passivation à l'hydrogène

Résumé

Nous étudions la structure de bande électronique et les caractéristiques courant-tension (I-V) de nanorubans d'InSe unidimensionnels en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité combinée à l'approche de Green hors équilibre. L'étude inclut des rubans nus et passivés à l'hydrogène avec des bords zigzag (Z), Klein (K) et armchair (A). Les états de bord dominent le comportement électronique : les rubans Z et K sont métalliques dans les limites larges et étroites, tandis que l'hydrogénation induit une transition semi-conducteur-métal dans les rubans Z à mesure que la largeur augmente. Les rubans Z et K nus présentent une résistance différentielle négative (NDR) prononcée et une polarisation de spin due au décalage spatial des fonctions d'onde près du niveau de Fermi. En revanche, les rubans de type A restent semi-conducteurs, avec des gaps qui varient modérément avec la largeur et sont ajustés par l'hydrogénation (les gaps HAAH sont plus larges que la monocouche, tandis que les gaps AA sont plus étroits).

Contexte

Les matériaux bidimensionnels (2D) d'épaisseur atomique ont révolutionné la nanoélectronique car leur dimensionalité réduite confère des propriétés électroniques uniques et un potentiel de dispositifs. Les nanorubans unidimensionnels (1D) dérivés de ces couches ou construits atome par atome renforcent encore le confinement quantique et permettent la fonctionnalisation des bords. La passivation des bords, par exemple avec l'hydrogène, peut stabiliser les liaisons pendantes et prévenir la reconstruction structurale.

L'InSe, un semi-conducteur métallique chalcogénide en couches, a récemment été exfolié en monocouche, révélant une mobilité électronique extraordinaire et un comportement optoélectronique unique. Bien que de nombreux travaux théoriques aient examiné l'InSe massique et en monocouche, les propriétés électroniques de ses nanorubans 1D restent largement inexplorées. Ce travail comble cette lacune en fournissant des insights premiers-principes sur le rôle de la géométrie de bord et de l'hydrogénation sur le transport dans les nanorubans d'InSe.

Méthodes

Trois terminaisons de bord canoniques du réseau en nid d'abeille — zigzag (Z), armchair (A) et Klein (K) — sont considérées. Un ruban est désigné par son nombre de largeur n et le type de bord (ex: n-ZZ, n-AA, n-KK, n-ZK, n-KZ). La passivation à l'hydrogène est représentée par n-HZZH, n-HAAH, n-HKKH, n-HZKH, n-HKZH.

Les géométries initiales utilisent une quadruple couche Se–In–In–Se (constante de réseau 4,05 Å) avant relaxation complète. Les calculs emploient l'Atomistix Toolkit (ATK) avec une approximation de densité de spin locale (LSDA-PZ) et une base double-zêta plus polarisation (DZP). Un cutoff onde plane de 3000 eV, un maillage k-point 1 × 1 × 100 et une température électronique de 300 K sont utilisés. Une couche de vide de 15 Å isole les images périodiques.

Les propriétés de transport sont simulées en partitionnant chaque ruban en électrodes gauche/droite et une région de diffusion centrale. Le courant dépendant du spin est obtenu via la formule de Landauer–Büttiker :

I_σ(V_b) = (e/h) ∫ T_σ(E,V_b) [f_L(E−μ_L) – f_R(E−μ_R)] dE

où σ = ↑, ↓ et le spectre de transmission T_σ est calculé à partir de la fonction de Green retardée et des couplages aux électrodes.

Résultats et discussion

Vues de dessus et de côté des nanorubans d'InSe 6-HZKH (a) et 11-HAAH (b). Le nombre de largeur n, la largeur w_z et les constantes de réseau c_z ou c_a sont indiqués.

Contrairement au graphène, aucune reconstruction de bord ne se produit dans les rubans d'InSe nus ou passivés à l'hydrogène, et toutes les structures sont énergétiquement stables.

Pour les rubans n-ZZ nus, la structure électronique est métallique et magnétique, sauf pour le cas étroit 2-ZZ qui devient semi-conducteur après reconstruction. Les bandes polarisées en spin proviennent des orbitales p du Se aux bords, avec un moment magnétique net jusqu'à 0,71 μ_B par cellule primitive (ex: 4-ZZ). La passivation à l'hydrogène transforme les rubans avec n ≤ 4 en semi-conducteurs non magnétiques et ceux avec n > 4 en métaux. La transition est régie par la différence d'énergie E_d entre états de bord gauche et droit, qui suit une dépendance inverse à la largeur : E_d ≈ −0,45 eV + 4 eVÅ/(w_z − 4 Å). Cette tendance reflète les gaps dépendants de la largeur dans les nanorubans de graphène et BN zigzag.

Différence d'énergie minimale E_d entre états de bord versus n et w_z. La courbe rouge est l'ajustement.

Les rubans KK et HKKH montrent une faible dépendance à la largeur ; les deux restent métalliques. La combinaison de bords Z et K donne des caractères de bande mixtes et un comportement métallique dans les rubans n-ZK et n-KZ.

Structures de bande et états de Bloch au point Γ des nanorubans 4-KK (a), 4-HKKH (b), 4-KZ (c) et 4-ZK (d).

Les rubans armchair (AA et HAAH) sont des semi-conducteurs non magnétiques. L'hydrogénation élargit le gap. Leurs gaps présentent une oscillation pair-impair avec la largeur, convergent vers 1,15 eV pour les larges rubans. Pour les rubans AA, les gaps sont plus étroits que la monocouche ; pour les rubans HAAH, ils sont plus larges. L'évolution des états de Bloch au maximum de la bande de valence (VBM) et minimum de la bande de conduction (CBM) reflète les contributions des bords.

Structures de bande des nanorubans 4- et 5-AA (a) et 4- et 5-HAAH (b) ; évolution du gap versus n (c) avec états de Bloch au VBM et CBM.

La réponse I-V des rubans métalliques montre une NDR frappante et une polarisation de spin. Dans les rubans 4-ZZ et 4-KK nus, un seul canal de transport dominant (bande z₁) mène à un rapport pic-vallee > 10 sous biais 0,5–1,2 V. Le décalage spatial entre fonctions d'onde de bandes adjacentes supprime la transmission au-delà du pic, produisant la NDR. La séparation de spin de la bande z₀ donne un courant polarisé en spin dans le régime linéaire. En revanche, le ruban 4-HKKH passivé H sature sans NDR.

(a) Courbes I-V spin-up (plein) et spin-down (vide) pour rubans 4-ZZ, 4-KK et 4-HKKH. (b) et (c) Spectres de transmission correspondants pour 4-ZZ.

Conclusions

La chimie de bord gouverne le comportement électronique des nanorubans d'InSe. Les bords Z et K nus sont métalliques et magnétiques ; l'hydrogénation peut induire une transition semi-conducteur-métal dans les rubans Z à mesure que la largeur croît. Tous les rubans Z et K — nus ou H-passivés — restent métalliques sauf pour les cas les plus étroits. Les rubans AA et HAAH sont des semi-conducteurs non magnétiques avec des gaps oscillant avec la largeur et approchant la valeur de la monocouche à grande largeur. Notamment, les caractéristiques I-V des rubans ZZ et KK nus affichent une NDR mono-bande prononcée et des courants polarisés en spin, offrant un potentiel pour dispositifs nanoélectroniques et spintroniques.

Abréviations

1D

Unidimensionnel

2D

Bidimensionnel

A

Armchair

CBM

Minimum de la bande de conduction

K

Klein

VBM

Maximum de la bande de valence

Z

Zigzag