Ingénierie des gaps dans les hétérostructures van der Waals phosphoréne bleu/GaN type graphène par champs électriques verticaux

Résumé

Les calculs aux principes premiers par théorie de la fonctionnelle de la densité révèlent que les hétérostructures van der Waals (vdW) monocouche et bicouche phosphoréne bleu/GaN type graphène (g-GaN) sont des semi-conducteurs à gap indirect avec un alignement de bandes de type II. Le gap (E_g) peut être accordé linéairement par un champ électrique vertical externe (E_ext), affichant un effet Stark prononcé. Lorsque le champ dépasse une valeur critique (≈0,9 eV/Å pour la monocouche et ≈0,7 eV/Å pour la bicouche), l'hétérostructure subit une transition semi-conducteur-métal.

Introduction

Les matériaux bidimensionnels (2D) — graphène, dichalcogénures de métaux de transition, phosphoréne noir, et le GaN type graphène (g-GaN) récemment rapporté — continuent d'attirer l'attention en raison de leurs propriétés électroniques et optiques remarquables et de leur potentiel pour les dispositifs nanoélectroniques de prochaine génération. Le phosphoréne bleu (blue-P), une monocouche de phosphore corruguée, a été cultivé épitaxialement sur substrats Au(111) et GaN(001), et offre un gap substantiel et une haute mobilité de porteurs. Le g-GaN, synthétisé par croissance encapsulée à migration améliorée, est un semi-conducteur à gap indirect qui peut être efficacement modulé par un champ électrique externe. L'accord de maille rapproché (~2 %) entre blue-P et g-GaN fait de l'hétérostructure vdW blue-P/g-GaN une plateforme attractive pour l'ingénierie de structures de bandes et l'exploration du transfert de charge inter-couche.

Malgré des études intensives sur les hétérostructures blue-P/TMDC et blue-P/graphène, peu est connu sur le comportement électronique des systèmes blue-P/g-GaN. Ici, nous employons le DFT corrigé vdW pour investiguer la structure de bandes, l'alignement de bandes et la modulation de gap induite par champ des hétérostructures monocouche et bicouche blue-P/g-GaN.

Méthodes de calcul

Le package CASTEP était utilisé pour effectuer les calculs DFT à ondes planes avec une base projector-augmented-wave (PAW). Les effets d'échange-corrélation étaient traités avec l'approximation de gradient généralisé (PBE), et le gap était affiné en utilisant la fonctionnelle hybride HSE06. Les interactions van der Waals étaient incluses via le schéma DFT-D2 de Grimme. Un cutoff d'onde plane de 500 eV et un maillage k-point 7 × 7 × 1 étaient adoptés pour l'optimisation géométrique ; les états électroniques étaient échantillonnés avec une grille 21 × 21 × 1. Une couche de vide de 20 Å le long de l'axe c assurait une interaction négligeable entre images périodiques. Les relaxations structurales étaient effectuées jusqu'à ce que les forces tombent below 0,001 eV/Å.

Résultats et discussion

Les constantes de maille optimisées de la monocouche blue-P et g-GaN sont 3,25 Å et 3,20 Å respectivement, donnant un désaccord de maille de seulement ~2 %. L'espacement inter-couche d'équilibre est 3,57 Å pour la monocouche et 3,52 Å pour la bicouche, avec des énergies de liaison d'environ 49 meV — comparable à d'autres systèmes vdW comme BP/graphène.

Les calculs de structure de bandes montrent des gaps indirects de 1,26 eV (GGA) et 2,20 eV (HSE06) pour l'hétérostructure monocouche, et 1,075 eV (GGA) / 1,91 eV (HSE06) pour la bicouche. Le minimum de bande de conduction se trouve près du point M tandis que le maximum de bande de valence est à K, confirmant un alignement de type II (décalé). La différence de fonction de travail entre le composite et le blue-P pur est ΔE_F = -1,17 eV pour la monocouche et -0,81 eV pour la bicouche, cohérent avec les décalages de bandes observés.

L'application d'un champ électrique vertical externe (E_ext) module E_g suivant une dépendance linéaire de type Stark. Pour la monocouche, E_g augmente avec les champs positifs jusqu'à 0,5 eV/Å, puis sature et finalement diminue quand le champ dépasse 0,6 eV/Å, fermant finalement le gap à ≈0,9 eV/Å. La bicouche exhibe une tendance similaire mais atteint la transition semi-conducteur-métal à un champ plus bas (≈0,7 eV/Å). Les champs négatifs causent une réduction linéaire de E_g, avec le gap s'annulant près de -0,8 eV/Å pour la monocouche et -0,5 eV/Å pour la bicouche.

Les analyses de densité de charge révèlent que le champ électrique dirige les électrons de la couche blue-P vers la couche g-GaN sous biais positif, et l'inverse sous biais négatif. La charge accumulée est maximale à ±0,5 eV/Å, confirmant le transfert de charge induit par champ qui sous-tend l'effet Stark.

Les calculs de densité d'états projetée indiquent que le maximum de bande de valence est dominé par les états g-GaN, tandis que le minimum de bande de conduction dérive principalement du blue-P, renforçant l'alignement de type II.

Conclusion

Les calculs aux principes premiers démontrent que les hétérostructures vdW monocouche et bicouche blue-P/g-GaN sont des semi-conducteurs à gap indirect avec alignement de bandes de type II. Le gap peut être accordé linéairement par un champ électrique vertical, exhibant un effet Stark prononcé, et les structures subissent une transition semi-conducteur-métal contrôlable quand le champ dépasse ≈0,9 eV/Å (monocouche) ou ≈0,7 eV/Å (bicouche). Ces résultats fournissent une voie claire pour la conception de dispositifs optoélectroniques 2D à accord électrique basés sur les hétérostructures blue-P/g-GaN.

Abréviations

2D

Bidimensionnel (Two-dimensional)

Blue-P

Phosphoréne bleu (Blue phosphorene)

BP

Phosphoréne noir (Black phosphorene)

CASTEP

Cambridge Serial Total Energy Package

CBM

Minimum de bande de conduction (Conduction band minimum)

DFT

Théorie de la fonctionnelle de la densité (Density functional theory)

GGA

Approximation de gradient généralisé (Generalized gradient approximation)

g-GaN

GaN type graphène (Graphene-like GaN)

MEEG

Croissance encapsulée à migration améliorée (Migration-enhanced encapsulated growth)

PAW

Onde augmentée par projecteur (Projector augmented wave)

PBE

Perdew-Burke-Ernzerhof

TMDC

Dichalcogénure de métal de transition (Transition metal dichalcogenides)

VBM

Maximum de bande de valence (Valence band maximum)

vdW

Van der Waals