Alkali-metal-adsorbed g-GaN monolayer:fungsi kerja ultralow dan sifat optik
Abstrak
Sifat elektronik dan optik dari galium nitrida (g-GaN) seperti-logam yang teradsorpsi-logam-alkali telah diselidiki menggunakan teori fungsi kerapatan. Hasilnya menunjukkan bahwa sistem g-GaN yang teradsorpsi logam-alkali adalah senyawa yang stabil, dengan situs adsorpsi yang paling stabil berada di pusat cincin heksagonal. Selain itu, karena transfer muatan dari atom logam alkali ke inang, lapisan g-GaN menunjukkan perilaku doping tipe-n yang jelas. Adsorpsi atom logam alkali pada g-GaN terjadi melalui chemisorption. Lebih penting lagi, fungsi kerja g-GaN secara substansial berkurang mengikuti adsorpsi atom logam alkali. Secara khusus, sistem g-GaN yang diserap Cs menunjukkan fungsi kerja yang sangat rendah sebesar 0,84 eV, yang memiliki potensi aplikasi yang besar pada perangkat emisi lapangan. Selain itu, adsorpsi logam alkali dapat menyebabkan peningkatan konstanta dielektrik statis dan memperpanjang spektrum penyerapan g-GaN.
Latar Belakang
Dibandingkan dengan bahan semikonduktor tradisional, GaN tiga dimensi adalah bahan semikonduktor celah pita lebar [1]. Dengan demikian, ini dapat memungkinkan pengoperasian peralatan pada tegangan, frekuensi, atau suhu ultra-tinggi dan menunjukkan efisiensi cahaya yang tinggi, konduktivitas termal yang baik, ketahanan suhu tinggi, ketahanan terhadap asam dan alkali, dan sifat anti-radiasi. Sebagai bahan optoelektronik, GaN tiga dimensi memiliki aplikasi potensial dalam pencetakan laser dan compact disc dengan kepadatan penyimpanan tinggi, berpotensi sangat mempengaruhi teknologi penyimpanan komputer [2]. Dalam beberapa tahun terakhir, bahan dua dimensi (2D) telah menerima perhatian yang luas karena sifat optik, mekanik, elektronik, dan magnet yang menarik dan potensi untuk aplikasi multifungsi [3,4,5,6,7,8,9]. Bahan 2D jauh lebih tipis dari bahan curah, dan sifat mekanik, elektronik, termal, dan optik bahan tersebut berbeda secara substansial dari rekan-rekan massal mereka [10]. Secara khusus, 2D GaN adalah bahan celah pita lebar dengan kinerja optoelektronik yang ditingkatkan. Baru-baru ini, itu disintesis melalui teknik pertumbuhan enkapsulasi yang ditingkatkan migrasi [11].
Mempelajari dan memahami interaksi antar atom pada permukaan padat merupakan salah satu masalah ilmiah dasar di bidang fisika permukaan. Oleh karena itu, mengendalikan struktur perakitan mandiri seperti itu penting untuk pengembangan perangkat nano. Atom yang teradsorpsi ke permukaan padat dapat berinteraksi secara tidak langsung melalui hamburan elektron atau distorsi elastis substrat, dengan interaksi atom jarak jauh yang dimodulasi oleh substrat memainkan peran penting dalam perakitan atom sendiri. Karena atom logam alkali dapat dengan mudah kehilangan elektron, adsorpsi logam alkali pada bahan semikonduktor dapat mengubahnya menjadi tipe-n, yang pada gilirannya akan mengurangi fungsi kerja dan mengubah sifat optoelektroniknya [12]. Dalam beberapa tahun terakhir, banyak kelompok penelitian telah melaporkan studi tentang sifat optoelektronik dari bahan 2D yang teradsorpsi logam alkali [13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]. Misalnya, Chan et al. [13] menyelidiki adsorpsi atom logam alkali pada graphene dan menemukan pengurangan fungsi kerja graphene. Jin dkk. [14] dan Qiao dkk. [15] menyelidiki adsorpsi logam alkali pada graphene menggunakan metode prinsip pertama dan menemukan bahwa sifat optoelektronik graphene dimodifikasi oleh adsorpsi logam alkali. Banyak karya sebelumnya menyelidiki bahwa sifat elektronik dan magnetik dari adsorpsi adatom pada fosforen hitam dan biru, yang menemukan bahwa adsorpsi permukaan secara efektif memfungsikan sistem fosforen dengan fitur spintronic serbaguna [16,17,18]. Namun, sifat fotolistrik penuh g-GaN yang teradsorpsi logam alkali masih belum jelas.
Dalam artikel ini, struktur pita, keadaan kerapatan, fungsi kerja, dan sifat optik g-GaN murni dan g-GaN teradsorpsi logam-alkali diuraikan; penelitian ini berpotensi penting untuk pembuatan perangkat optoelektronik dan emisi lapangan berbasis g-GaN.
Metode
Semua perhitungan dilakukan dengan menggunakan Paket Simulasi Vienna Ab initio berdasarkan prinsip pertama dengan teori fungsi densitas [24]. Pendekatan gradien umum (GGA) dalam bentuk fungsional Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [25] diadopsi untuk menggambarkan interaksi pertukaran-korelasi. Metode GGA-PBE telah diindikasikan sangat efektif untuk penelitian permukaan [26,27,28,29]. Energi cutoff kinetik untuk himpunan basis gelombang bidang adalah 500 eV. Pada arah tegak lurus bidang g-GaN, ruang vakum diatur ke 20 Å. Zona Brillouin digambarkan oleh sekumpulan k -poin dalam kisi 9 × 9 × 1 menggunakan skema -berpusat. Semua atom dalam keadaan rileks sepenuhnya sampai gaya Hellmann–Feynman kurang dari 10
− 4
eV/Å dan perubahan energi total menjadi kurang dari 10
− 4
eV [29].
Energi adsorpsi untuk sistem g-GaN teradsorpsi logam-alkali dihitung dengan menggunakan metode Cui et al. [12] Menurut persamaan berikut:
dimana Eiklan adalah energi adsorpsi, Eg-GaN dan Eg-GaN:X menyatakan energi total g-GaN murni sebelum dan sesudah adsorpsi logam alkali, dan X adalah potensial kimia dari atom logam alkali tunggal. Berdasarkan persamaan ini, nilai negatif Eiklan menunjukkan struktur yang stabil.
dimana ρB , ρg , dan ρx adalah muatan total pada atom g-GaN yang teradsorpsi logam-alkali, g-GaN murni, dan atom adsorpsi.
Hasil dan diskusi
Gambar 1 menunjukkan model g-GaN untuk empat situs adsorpsi yang berbeda; TN situs tepat di atas atom N, TGa situs tepat di atas atom Ga, TB situs berada di atas tengah ikatan N-Ga, dan TM situs berada di atas pusat segi enam. E . yang dihitung iklan g-GaN yang teradsorpsi logam-alkali ditunjukkan pada Tabel 1. Semua Eiklan situs yang berbeda negatif, yang menunjukkan bahwa prosedur adsorpsi logam alkali pada g-GaN adalah eksotermik dan semua sistem adsorpsi stabil. Hasil ini serupa dengan yang diperoleh untuk kawat nano GaN yang teradsorpsi logam alkali [12]. Selain itu, hasil perhitungan menunjukkan bahwa posisi paling stabil adalah TM lokasi; dengan demikian, diskusi berikut hanya membahas TM situs adsorpsi.
Model g-GaN dengan situs adsorpsi berbeda
Parameter kisi g-GaN murni dan teradsorpsi logam alkali ditunjukkan pada Tabel 2. Parameter kisi g-GaN murni adalah 3,254 Å, yang sesuai dengan hasil sebelumnya [30,31,32,33]. Lebih lanjut, parameter kisi g-GaN teradsorpsi Li- atau Na sedikit lebih kecil daripada g-GaN murni, sedangkan g-GaN teradsorpsi K-, Rb-, dan Cs lebih besar daripada g-GaN murni. . Menariknya, ketika nomor atom atom logam alkali disetel lebih besar, parameter kisi g-GaN yang diserap logam alkali meningkat. Panjang ikatan N-X atau Ga-X ditampilkan pada Tabel 2. Panjang ikatan N-X atau Ga-X meningkat dengan bertambahnya nomor atom atom logam alkali. Tinggi adsorpsi g-GaN teradsorpsi logam alkali ditunjukkan pada Tabel 2, yang menunjukkan bahwa tinggi adsorpsi meningkat dengan meningkatnya nomor atom atom logam alkali.
Struktur pita g-GaN murni dan teradsorpsi logam alkali ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2a dengan jelas menunjukkan bahwa struktur pita g-GaN murni menunjukkan karakter semikonduktor, dengan celah pita 2,1 eV. Hasil ini sesuai dengan laporan sebelumnya [30,31,32,33]. Namun, struktur pita untuk g-GaN yang teradsorpsi logam-alkali menunjukkan bahwa kadar Fermi telah memasuki pita konduksi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b-f; dengan demikian, sistem g-GaN yang diserap logam alkali memiliki karakter logam, dengan celah yang muncul sekitar 1,8 eV di bawah tingkat Fermi, dan celah g-GaN yang diserap logam alkali adalah sekitar 1,92 eV. Selanjutnya, g-GaN diubah menjadi semikonduktor tipe-n setelah adsorpsi logam alkali karena kecenderungan logam alkali untuk kehilangan elektron, menghasilkan kenaikan tingkat Fermi di dalam pita konduksi.
Struktur pita untuk g-GaN murni dan logam alkali yang diserap:a g-GaN murni, b g-GaN yang diserap Li, c g-GaN teradsorbsi Na, d G-GaN teradsorbsi K, e G-GaN teradsorpsi Rb, dan f g-GaN teradsorpsi Cs. Level Fermi dilambangkan dengan garis putus-putus hijau
Kepadatan total keadaan (TDOS) dan kerapatan parsial keadaan (PDOS) dari g-GaN murni dan alkali-logam-teradsorpsi ditunjukkan pada Gambar. 3. Pada Gambar. 3a, TDOS dari g-GaN murni menunjukkan bahwa itu adalah semikonduktor, konsisten dengan hasil struktur pita. Perhitungan PDOS menunjukkan bahwa pita valensi maksimum untuk g-GaN murni berasal dari orbital N-2p dan Ga-4p, sesuai dengan hasil sebelumnya [34, 35]. Untuk memahami keadaan elektron di dekat tingkat Fermi, kami menghitung PDOS dari g-GaN yang diserap logam alkali. Seperti dapat dilihat dari Gambar. 3b–f, keadaan elektron di dekat tingkat Fermi terutama diatur oleh orbital Ga-4s, N-2p, dan 2s dari logam alkali.
Densitas keadaan untuk g-GaN murni dan logam alkali yang diserap:a g-GaN murni, b g-GaN yang diserap Li, c g-GaN teradsorbsi Na, d G-GaN teradsorbsi K, e G-GaN teradsorpsi Rb, dan f g-GaN yang diserap Cs
Transfer muatan merupakan aspek penting dari sistem adsorpsi. Perbedaan densitas muatan dengan nilai isosurface 0,002 e/Å
3
untuk g-GaN yang teradsorpsi logam alkali ditunjukkan pada Gambar 4. Menariknya, distribusi elektron terletak di antara semua atom logam alkali dan tiga atom N yang kurang terkoordinasi. Oleh karena itu, g-GaN yang teradsorpsi logam-alkali dibentuk oleh chemisorption. Selain itu, daerah sian besar yang terlokalisasi pada atom logam alkali menunjukkan transfer besar dari atom logam alkali ke g-GaN. Analisis muatan bader menunjukkan bahwa ada sekitar 0.8833|e|, 0.7803|e|, 0.7997|e|, 0.7905|e|, 0.7936|e| transfer dari Li, Na, K, Rb, Cs ke g-GaN. Dengan demikian, semua hasil di atas menegaskan gambaran bahwa interaksi dalam g-GaN yang teradsorpsi logam alkali adalah ikatan ionik.
Perbedaan densitas muatan untuk g-GaN yang teradsorpsi logam-alkali. a g-GaN/Li, b g-GaN/Na, c g-GaN/K, d g-GaN/Rb, e g-GaN/Cs. Daerah magenta dan cyan masing-masing menunjukkan perolehan dan kehilangan elektron. Nilai isosurface disetel ke 0,002 e/Å
3
Fungsi kerja merupakan faktor penting untuk menyeimbangkan sifat optoelektronik bahan. Fungsi kerja bahan sama dengan tingkat vakum dikurangi dari tingkat Fermi. Untuk mengungkapkan kelayakan yang menarik, kami mempelajari penyetelan fungsi kerja g-GaN dengan adsorpsi logam alkali. Gambar 5 menunjukkan skema fungsi kerja g-GaN murni dan g-GaN teradsorpsi logam-alkali. Fungsi kerja g-GaN murni adalah 4,21 eV, yang sedikit lebih besar dari kawat nano GaN [12]. Fungsi kerjanya masing-masing adalah 2,47, 1,88, 1,49, 1,29, dan 0,84 eV untuk g-GaN teradsorpsi Li-, Na-, K-, Rb-, dan Cs; dengan demikian, fungsi kerja g-GaN secara substansial berkurang setelah adsorpsi adatom logam alkali. Selanjutnya, fungsi kerja g-GaN teradsorpsi logam alkali lebih rendah dibandingkan dengan kawat nano GaN teradsorpsi logam alkali [12]. Alasan utamanya mungkin karena perbedaan struktur antara monolayer GaN dan kawat nano. Selain itu, penurunan fungsi kerja menunjukkan bahwa g-GaN yang diserap logam alkali dapat digunakan untuk perangkat emisi medan.
Skema fungsi kerja untuk g-GaN murni dan teradsorpsi logam alkali
Selanjutnya, kita beralih untuk menyelidiki pengaruh adsorpsi logam alkali pada sifat optik g-GaN. Sifat optik bahan dapat digambarkan dengan bagian nyata ε1 (ω ) dan bagian imajiner ε2 (ω ) dari fungsi dielektrik, penyerapan a (ω ), bias n (ω ), reflektifitas R (ω ), fungsi kehilangan energi L (ω ), dan spektrum koefisien kepunahan K (ω ), seperti yang dilaporkan sebelumnya [36,37,38,39,40]. Bagian sebenarnya ε1 (ω ) sebagai fungsi dari ω untuk g-GaN murni dan teradsorpsi logam alkali ditunjukkan pada Gambar. 6a. ε1 (0 ) dari g-GaN murni adalah 1,48, dan ε1 (0 ) dari g-GaN teradsorpsi logam alkali adalah 2,33 (Li), 3,13 (Na), 3,56 (K), 3,81 (Rb), dan 3,81 (Cs). Data menunjukkan bahwa ε1 (0 ) g-GaN teradsorpsi logam alkali lebih besar dari g-GaN murni; dengan demikian, sifat optik g-GaN sangat sensitif dan dapat disetel. Selain itu, ketika energi lebih besar dari 15 eV, kecenderungan bagian sebenarnya dari spektrum identik dengan kecenderungan adsorpsi oleh logam alkali yang berbeda. Bagian imajiner ε2 (ω ) sebagai fungsi dari ω untuk g-GaN murni dan teradsorpsi logam alkali ditunjukkan pada Gambar. 6b. Dua puncak sempit yang terletak pada 6,18 dan 10,76 eV, yang berasal dari transisi elektron N-2p ke keadaan s kation, digeser ke arah energi yang lebih rendah pada adsorpsi logam alkali. Selain itu, puncak tinggi muncul pada 1,22 eV setelah adsorpsi logam alkali.
Bagian nyata dan imajiner untuk g-GaN murni dan logam alkali yang diserap: a bagian nyata, b bagian imajiner
Gambar 7 menunjukkan koefisien penyerapan dan indeks bias untuk g-GaN murni dan logam alkali yang diserap. Pada Gambar 7a, tepi serapan g-GaN murni dimulai pada 2,77 eV; penyerapan ini berasal dari transisi elektron tereksitasi dari keadaan N-2p yang terletak di bagian atas pita valensi ke keadaan kation 2 yang kosong. Spektrum g-GaN murni menunjukkan dua puncak yang terletak pada 6,28 dan 10,95 eV; puncak ini menunjukkan pergeseran merah setelah adsorpsi logam alkali. Selain itu, intensitas kedua puncak menurun setelah adsorpsi logam alkali. Selain itu, puncak baru muncul pada 1,61 eV setelah adsorpsi logam alkali, dan beberapa puncak lain-lain muncul pada energi yang lebih besar dari 12,46 eV dalam spektrum g-GaN teradsorpsi K-, Rb-, dan Cs. Hasil ini menunjukkan bahwa bahan g-GaN yang teradsorpsi logam alkali menunjukkan berbagai penyesuaian dalam spektrum penyerapannya. Selanjutnya, koefisien absorpsi untuk g-GaN murni dan logam alkali yang teradsorpsi terkait dengan bagian imajiner dan indeks kepunahan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b dan 8c. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7b, nilai untuk n (0 ) adalah 1,22 (murni), 1,53 (Li), 1,78 (Na), 1,89 (K), 1,99 (Rb), dan 1,99 (Cs). n (0 ) nilai untuk g-GaN murni dan g-GaN teradsorpsi logam-alkali sedikit lebih rendah daripada yang diperoleh untuk kawat nano GaN murni dan kawat nano GaN yang diserap logam alkali [12]. Dengan meningkatnya energi foto, indeks bias g-GaN murni mencapai nilai maksimum sekitar 1,65 pada 5,88 eV, sedangkan indeks bias g-GaN yang diserap logam alkali mencapai nilai maksimum sekitar 1,75–2,25 pada 0,7–2 eV. Selain itu, indeks bias g-GaN murni dan g-GaN teradsorpsi logam-alkali mencapai nilai minimum sekitar 11,41 eV. Terakhir, indeks bias tetap tidak berubah dengan nilai 0,91 saat energi foto lebih besar dari 15 eV.
Koefisien penyerapan dan indeks bias untuk g-GaN murni dan logam alkali yang diserap: a koefisien penyerapan, b indeks bias
Koefisien reflektifitas, fungsi energi yang hilang, dan koefisien kepunahan untuk g-GaN murni dan logam alkali yang diserap:a koefisien reflektifitas, b fungsi kehilangan energi, c koefisien kepunahan
Koefisien reflektifitas R (ω ) untuk g-GaN murni dan teradsorpsi logam alkali ditunjukkan pada Gambar. 8a. Puncak pantulan yang kuat terletak pada 11,3 eV untuk g-GaN murni; namun, intensitas puncak menurun setelah adsorpsi logam alkali. Selain itu, puncak refleksi baru muncul di wilayah energi rendah (0–2,5 eV), yang menunjukkan bahwa spektrum refleksi diperpanjang setelah adsorpsi logam alkali. Fungsi kehilangan energi L (ω ) untuk g-GaN murni dan teradsorpsi logam alkali ditunjukkan pada Gambar. 8b; data menunjukkan bahwa puncak yang paling menonjol untuk g-GaN murni terletak pada sekitar 11,57 eV, sedangkan puncak yang paling menonjol untuk g-GaN yang teradsorpsi logam-alkali muncul pada 11,12 eV. Intensitas puncak untuk g-GaN yang teradsorpsi logam-alkali lebih rendah dari pada g-GaN murni; dengan demikian, kehilangan energi lebih lambat untuk transmisi elektron dalam g-GaN yang diserap logam alkali. Selain itu, g-GaN yang teradsorpsi logam alkali adalah senyawa yang stabil. Koefisien kepunahan K (ω ) dari g-GaN murni dan teradsorpsi logam alkali ditunjukkan pada Gambar. 8c. Koefisien kepunahan untuk g-GaN yang teradsorpsi logam-alkali mirip dengan koefisien reflektifitas. Dengan demikian, sifat optik g-GaN dapat disetel melalui adsorpsi atom logam alkali, yang berguna untuk pembuatan perangkat optoelektronik.
Kesimpulan
Sifat elektronik dan optik dari sistem g-GaN yang teradsorpsi logam-alkali diselidiki menggunakan teori fungsi densitas. Hasilnya diringkas sebagai berikut:(1) semua g-GaN yang teradsorpsi logam-alkali agak stabil dengan situs adsorpsi yang paling stabil adalah TM lokasi. (2) Adsorpsi atom logam alkali pada g-GaN terjadi melalui chemisorption. (3) Perilaku n-doping dapat ditemukan pada g-GaN setelah adsorpsi adatom logam alkali. (4) Fungsi kerja g-GaN sangat berkurang setelah adsorpsi logam alkali, dengan sistem g-GaN teradsorpsi Cs menunjukkan fungsi kerja minimum hanya 0,84 eV, dengan demikian, sistem g-GaN teradsorpsi Cs memiliki aplikasi potensial dalam perangkat emisi lapangan. (5) Adsorpsi logam alkali dapat menyebabkan peningkatan konstanta dielektrik statis dan memperpanjang spektrum serapan g-GaN. Akibatnya, adsorpsi logam alkali dapat digunakan untuk menghias dan memperbesar sifat optoelektronik g-GaN, yang dapat digunakan untuk menghasilkan perangkat fotolistrik.
