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Réglage des semi-conducteurs 2D GeP₃ : comment les électrons de valence des dopants façonnent les propriétés électroniques

Résumé

Introduction

Méthodes computationnelles

$$ E_f(GeP_3:X) = E(GeP_3:X) - E(GeP_3) - E_X + E_i $$ (1)

et pour le système de co-dopage, une formule similaire est utilisée :

$$ E_f(GeP_3:XY) = E(GeP_3:XY) - E(GeP_3) - E_X - E_Y + E_i + E_j $$ (2)

où E_f(GeP₃ : X) et E(GeP₃) sont les énergies totales du monocouche GeP₃ dopé X et intrinsèque avec la même supercellule. E(GeP₃ : XY) est l'énergie totale du système co-dopé XY, E_X et E_Y sont les énergies atomiques des dopants X ou Y référées à leurs structures massives correspondantes, et E_i, E_j sont les énergies des atomes substitués où i et j indiquent l'atome Ge ou P respectivement.

Résultats et discussions

Oscillations pair-impair pour les systèmes de dopage à élément unique

Réglage des semi-conducteurs 2D GeP₃ : comment les électrons de valence des dopants façonnent les propriétés électroniques — Structure géométrique et zone de Brillouin de GeP₃. a 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 substitution de l'atome Ge, et S₂ représente le site de substitution de l'atome P. b la zone de Brillouin 2D du monocouche GeP₃.

Réglage des semi-conducteurs 2D GeP₃ : comment les électrons de valence des dopants façonnent les propriétés électroniques — Structures de bande des divers dopants dans GeP₃ monocouche substituant atome Ge. a B, b C, c N, d O, e Al, f Si, g P, h S, i Ga, j GeP₃ pur, k As, l Se. Structures de bande calculées pour une supercellule 2×2 avec divers dopants dans GeP₃ monocouche des groupes III à VI, substituant atome Ge, respectivement, ensemble avec celle de GeP₃ pur. Les fonctionnelles PBE et HSE06 sont employées dans la rangée supérieure.

Réglage des semi-conducteurs 2D GeP₃ : comment les électrons de valence des dopants façonnent les propriétés électroniques — Structures de bande des divers dopants dans GeP₃ monocouche substituant atome P. a B, b C, c N, d O, e Al, f Si, g P, h S, i Ga, j GeP₃ pur, k As, l Se. Structures de bande calculées pour une supercellule 2×2 avec divers dopants dans GeP₃ monocouche des groupes III à VI, substituant atomes P, respectivement, ensemble avec celle de GeP₃ pur. Les fonctionnelles PBE et HSE06 sont employées dans la rangée supérieure.

Réglage des semi-conducteurs 2D GeP₃ : comment les électrons de valence des dopants façonnent les propriétés électroniques — Gaps de bande de tous les systèmes mono-dopés. Gaps de bande des monocouches GeP₃ dopées avec différents dopants allant du groupe V à VI. a substitution d'atomes Ge et b substitution d'atomes P, respectivement.

Réglage des semi-conducteurs 2D GeP₃ : comment les électrons de valence des dopants façonnent les propriétés électroniques — DOS pour les systèmes dopés. La densité d'états partielle (droite) pour groupe IV (C, Si, Ge) et groupe V (N, P, As) atomes dopés GeP₃. La ligne verticale noire pointillée est le niveau de Fermi. (a) et (b) atome Ge substitué, (c) et (d) atome P substitué.

Relations logiques pour les systèmes de co-dopage

Réglage des semi-conducteurs 2D GeP₃ : comment les électrons de valence des dopants façonnent les propriétés électroniques — Structures de bande des systèmes co-dopés. Structures de bande des systèmes GeP₃ monocouche co-dopés B, C, N, O. a–d Les deux dopants substituent deux atomes Ge dans GeP₃ monocouche, e–h les deux dopants substituent deux atomes P, i–l les deux dopants substituent un atome Ge et un atome P, respectivement.

Réglage des semi-conducteurs 2D GeP₃ : comment les électrons de valence des dopants façonnent les propriétés électroniques — Gaps de bande de tous les systèmes co-dopés. L'amplitude des gaps de bande des monocouches GeP₃ co-dopées, les gauche sont le croquis des sites co-dopés, et les droites sont l'amplitude des gaps de bande correspondant aux éléments de dopage. a, b Le cas pour les éléments de dopage occupent les deux atomes Ge. c, d Le cas pour les éléments de dopage occupent les deux atomes P. e, f Le cas pour les éléments de dopage occupent les atomes Ge et P, respectivement.

Réglage des semi-conducteurs 2D GeP₃ : comment les électrons de valence des dopants façonnent les propriétés électroniques — Énergie de formation de tous les systèmes dopés. L'énergie de formation calculée du mono-dopage et co-dopage. a, b sont le dopant substituant atome Ge et atome P, respectivement ; c–e Les co-dopants substitués par deux atomes Ge, deux atomes P, et un atome Ge et un atome P, respectivement.

Réglage des semi-conducteurs 2D GeP₃ : comment les électrons de valence des dopants façonnent les propriétés électroniques — AIMD pour le C atome dopé GeP₃ substituant atome Ge, c deux atomes C dopés GeP₃ substituant deux atomes P, et e Al atome dopé GeP₃ substituant à 300 K. Les structures en b C, d deux atomes C, et f Al correspondent à leurs structures finales après 4000 fs.

Conclusion

Disponibilité des données et matériaux

Abréviations

1D: Unidimensionnel
2D: Bidimensionnel
AIMD: Dynamique moléculaire ab initio
BP: Phosphorène noire
CBM: Minimum de bande de conduction
DFT: Théorie de la fonctionnelle de la densité
HSE06: Fonctionnelle hybride de densité
PBE: Perdew-Burke-Ernzerhof
PDOS: Densité d'états partielle
VBM: Maximum de bande de valence

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