Sifat Elektronik Kursi Berlengan Fosfor Hitam Nanoribbons Tepi-Dimodifikasi oleh Elemen Transisi V, Cr, dan Mn
Abstrak
Sifat struktural, elektrik, dan magnetik dari kursi berlengan hitam fosforen nanoribbons (APNRs) yang difungsikan oleh elemen logam transisi (TM) V, Cr, dan Mn dipelajari oleh teori fungsional densitas yang dikombinasikan dengan fungsi Green non-ekuilibrium. Keadaan tepi terpolarisasi spin memperkenalkan varietas hebat pada struktur elektronik TM-APNR. Untuk APNR dengan tepi jahitan Mn, struktur pitanya menunjukkan sifat listrik setengah semikonduktor dalam keadaan feromagnetik. Medan listrik transversal kemudian dapat membuat Mn-APNR menjadi logam dengan menggeser pita konduksi keadaan tepi melalui efek Stark. Heterojungsi Mn/Cr-APNR dapat digunakan untuk membuat spin p-n dioda di mana penyearah kuat hanya bekerja pada satu putaran.
Pengantar
Penemuan graphene [1, 2] telah memicu gelombang penelitian untuk bahan kristal dua dimensi (2D) [3,4,5,6]. Dalam dekade terakhir, boron nitrida heksagonal, logam transisi dichalcogenide, fosforen hitam, dan banyak lainnya telah disiapkan atau diprediksi [7,8,9]. Materi 2D tersebut dapat diimplementasikan di berbagai bidang, penting tidak hanya untuk mengeksplorasi fenomena fisik baru dan kinerja di bawah batas 2D, tetapi juga untuk banyak aplikasi baru dalam perangkat elektronik, spintronik, dan optoelektronik [10,11,12,13] ,14,15,16,17,18,19,20,21]. Selain itu, beberapa sifat bahan dua dimensi dapat ditingkatkan setelah disesuaikan menjadi pita nano satu dimensi (1D) atau/dan difungsikan [22, 23]. Kinerja yang sangat baik telah diamati pada transistor efek medan dari graphene nanoribbon yang disintesis dari bawah ke atas [24]. Kontak bebas penghalang Schottky dengan semikonduktor 2D melalui karbida logam atau nitrida yang difungsikan oleh gugus O atau OH telah diprediksi [25]. Nanoflake fosforena yang dimodifikasi tepi telah diusulkan untuk sel surya yang sangat efisien [26]. Cacat atom dan ketidakmurnian dapat digunakan untuk memodulasi secara lokal sifat elektronik untuk aplikasi potensial dalam magnetisme dan katalisis [27,28,29]. Penerapan medan listrik eksternal dan heterostruktur selanjutnya dapat memanipulasi secara signifikan sifat elektronik [30,31,32].
Di antara bahan 2D yang diketahui, fosforen hitam adalah salah satu dari sedikit dengan sifat mekanik, listrik, dan optik yang unggul untuk aplikasi perangkat. Sejak fabrikasi transistor efek medan berdasarkan itu [9], fosforen hitam telah menarik lebih banyak minat. Ini adalah semikonduktor langsung dengan celah pita sederhana (≈ 2 eV) dan mobilitas lubang tinggi (≈ 1000 cm
2
/(Vs)) [33,34,35], menunjukkan potensi aplikasi yang sangat besar di bidang elektronik, optoelektronika, sensor, katalisis, dan baterai [36,37,38,39]. Mirip dengan graphene, fosforen hitam dapat dipotong sepanjang dua arah yang khas menjadi zigzag phosphorene nanoribbons (ZPNRs) atau armchair phosphorene nanoribbons (APNRs) [40,41,42]. Simulasi prinsip pertama telah menunjukkan bahwa doping substitusi logam transisi dapat dengan mudah memasukkan magnetisme ke dalam fosforen untuk aplikasi spintronik [43]. Penyerapan logam transisi, berlabuh oleh cacat, mungkin menimbulkan setengah logam dan logam komposit sistem fosforen [44]. Telah diprediksi bahwa modifikasi tepi logam transisi juga dapat sangat memodulasi sifat elektronik nanoribbons fosforen zigzag [45]. Namun, sejauh yang kami tahu, efek pasivasi TM pada APNR belum dipelajari dengan baik.
Dalam makalah ini, kami fokus pada modulasi sifat elektronik APNR yang difungsikan oleh elemen logam transisi khas V, Cr, dan Mn, karena mereka memperkenalkan momen magnet yang lebih besar daripada yang lain. Simulasi berdasarkan teori fungsi kerapatan menunjukkan bahwa perilaku setengah semikonduktor dapat muncul dan dapat dikendalikan oleh medan listrik transversal. Selain itu, putaran performa tinggi p-n persimpangan dapat dirancang untuk aplikasi spintronic [46].
Sistem dan Metode Komputasi
Fosfor hitam adalah bahan berlapis di mana lapisan atom ditumpuk bersama oleh gaya van der Waals antar-lapisan yang lemah sementara atom-atom di setiap lapisan terikat oleh ikatan kovalen yang kuat. Ini dapat dengan mudah dikupas menjadi fosforen monolayer. Tampilan atas dari fosforen digambarkan pada Gambar. 1a dengan bagian zoom-in di sisi kanannya untuk menunjukkan parameter geometri. Dua pandangan samping di sepanjang kursi berlengan dan arah zigzag, masing-masing, diberikan di samping. Setiap atom fosfor terikat pada tiga atom fosfor yang berdekatan (dengan konstanta kisi 3,31 dan 4,38 Å, panjang ikatan 2,2 Å, sudut ikatan 96,34°, dan sudut dihedral 102,1°) untuk membentuk struktur sarang lebah berlipat [47]. Seperti bahan dua dimensi lainnya dari kisi sarang lebah heksagonal seperti graphene dan molibdenum disulfida, sebuah fosforen dapat disesuaikan dengan nanoribbons dengan dua morfologi tepi yang khas, kursi berlengan dan nanoribbons fosforen hitam zigzag [40, 41, 48, 49].
a Tampilan atas dan samping dari fosforen 2D dengan tampilan zoom-in di sisi kanan. Tampilan penampang dari kursi berlengan dan tepi zigzag masing-masing ditunjukkan di bawah dan di sisi kiri. b Sebuah APNR dengan TM adatom di situs berongga (A) dan situs atas (B) di tepi. Bingkai putus-putus menunjukkan ukuran sel primitif, dan jumlah n menunjukkan lebar nanoribbon. c Empat konfigurasi magnetik APNR. d Diagram skematik dengan adanya medan listrik transversal
Di sini, kami mempertimbangkan semikonduktor n -APNR untuk nomor lebar ganjil n dengan penampang simetris cermin. Hasil serupa harus mengikuti bahkan untuk n karena dua tepi nanoribbon hampir independen seperti yang dibahas berikut ini. Efek modifikasi tepi oleh tiga elemen logam transisi (TM) khas V, Cr, dan Mn dianalisis secara sistematis. Seperti diilustrasikan pada Gambar. 1b, atom TM dapat diadsorpsi ke tepi APNR pada posisi berongga (kasus A) atau pada posisi teratas (kasus B). Karena kasus A memiliki energi ikat yang jauh lebih besar, kami mengadopsinya di mana atom TM diadsorpsi di dekat pusat setiap posisi berongga dan berikatan dengan dua atom tepi fosfor di sampingnya. Untuk memudahkan menggambarkan geometri pengikatan atom TM pada tepi APNR, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 1b, kami menyatakan atom fosfor di situs 1, 2, 3, dan 4 sebagai P1 , P2 , P3 , dan P4 , masing-masing. Kami juga mendefinisikan beberapa parameter geometri:panjang ikatan \( {d}_1^{P-P} \) (antara P2 dan P3 ), \( {d}_2^{P-P} \) (antara P1 , P2 atau P3 , P4 ), dan dPTM
dan sudut ikatan θ1 (antara \( {d}_1^{P-P} \) dan\( {d}_2^{P-P} \)) dan θ2 (antara \( {d}_2^{P-P} \) dan dPTM
). Karena kemagnetan adatom TM, ada empat kemungkinan konfigurasi magnetik, yaitu FM, AFM1, AFM2, dan AFM3 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1c. Dengan tidak adanya medan magnet, simulasi kami menunjukkan bahwa energi sel unit AFM2 pada Gambar. 1c adalah sekitar 0,2 eV lebih rendah daripada energi FM. Kedua tepi hampir independen, dan polarisasi putaran yang berlawanan di antara keduanya dalam konfigurasi AFM1 dan AFM3 dapat mengurangi energi dengan jumlah kurang dari 0,002 eV. Dalam makalah ini, kami mempelajari sifat elektronik dari nanoribbons dalam konfigurasi FM karena medan magnet yang diterapkan dapat menahannya. Kami juga mempelajari efek dari medan listrik transversal yang diterapkan, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 1d, pada struktur elektronik dan sifat APNR FM. Terakhir, kami mengusulkan kemungkinan aplikasi perangkat dari materi tersebut.
Sifat transportasi persimpangan nanoribbon dihitung dengan membangun struktur perangkat dua probe. Persimpangan dipartisi menjadi tiga bagian:Wilayah hamburan, di mana antarmuka persimpangan berada, diapit di antara elektroda kiri (L) dan kanan (R). Saat tegangan bias Vb diterapkan antara dua elektroda, kami mengatur energi Fermi di elektroda L dan R sebagai μL = − e |Vb |/2 dan μR = e |Vb |/2. Arus elektronik putaran σ melalui perangkat kuantum dievaluasi dengan rumus Landauer-Büttiker [50]:
Di sini, Tσ (E ) adalah transmisi putaran σ dan f fungsi distribusi Fermi-Dirac.
Simulasi dilakukan dengan paket Atomistix toolkit (ATK) berdasarkan teori fungsi densitas ab initio (DFT) yang dikombinasikan dengan metode fungsi non-ekuilibrium Green (NEGF) [51, 52]. Sebelum struktur elektronik dan simulasi transportasi, struktur dioptimalkan sampai gaya yang bekerja pada setiap atom kurang dari 0,02 eV/Å. Kami menggunakan pendekatan gradien umum yang bergantung pada putaran dengan parametrisasi Perdew-Burke-Emzerhof (SGGA-PBE) untuk fungsi pertukaran-korelasi. Kami telah mengkonfirmasi bahwa simulasi SGGA+U menghasilkan hasil yang sama seperti yang disajikan berikut ini [43]. Satu set basis zeta-terpolarisasi ganda (dzp ) orbital atom digunakan dalam perhitungan untuk mendapatkan hasil yang akurat. Lapisan vakum setebal 20 dimasukkan di antara nanoribbon tetangga untuk menghindari kopling antar-pita. Energi pemotongan untuk ekspansi vektor dasar fungsi gelombang ditetapkan sebagai 150 Hartree atau 4082 eV dengan k -ruang mesh grid 1 × 1 × 101. Suhu elektronik 300 K diadopsi dalam teknik integrasi sumbu nyata untuk skema NEGF untuk memfasilitasi simulasi. Empat konfigurasi magnetik diperoleh dengan awalnya mengatur polarisasi putaran yang sesuai dari adatom TM sebelum pengoptimalan. Medan listrik transversal ε dihasilkan oleh dua pelat logam virtual paralel, dipisahkan oleh jarak l , dengan beda potensial listrik Vt jadi ε =Vt/l .
Hasil dan Diskusi
Geometri dan Energi Ikatan
Dalam APNR murni, atom tepi P bergeser ke posisi berongga sehingga setiap tepi "kursi" menjadi lebih sempit dibandingkan dengan pasangan 2D mereka, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, b. Jika APNR dihidrogenasi dengan ikatan suspensi masing-masing tepi atom P yang dijenuhkan oleh satu atom H seperti yang dibahas dalam Ref. [48, 53], atom tepi P pulih ke posisi 2D mereka seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 2c. Ketika atom TM diadsorpsi pada setiap posisi berongga, atom P di sampingnya akan pasif. Kursi berlengan kemudian pulih sebagian, dan ujung-ujungnya menjadi magnet karena polarisasi putaran dari adatom TM. Dalam konfigurasi FM, tidak ada rekonstruksi yang diamati di tepi dan panjang sel primitif tetap tidak berubah seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d-f.
Geometri FM 9-APNR a baru saja dipotong dari fosforen 2D, b dioptimalkan secara geometris (murni), c terhidrogenasi, dan setelah menyerap d V, e Cr, dan f Mn atom di tepi. Kerapatan polarisasi spin atom ditunjukkan oleh isosurface berwarna hijau sebesar 0,004 e/Å
3
Pada Tabel 1, kami mencantumkan parameter geometri dan energi ikat Eb untuk 9- dan 17-APNR murni, terhidrogenasi, dan penyerap TM dalam konfigurasi FM jika berlaku. Di sini, Eb = (sayaX + EAPNREX APNR )/m dengan EX , EAPNR , dan EX APNR energi total atom eksternal, sel primitif APNR murni, dan sel primitif APNR yang dipasifkan oleh m atom eksternal, masing-masing, dengan m =4 untuk H dan m =2 untuk elemen TM. Saat kami memotong fosforen 2D untuk membuat APNR, ikatan suspensi di tepi berkurang secara signifikan θ1 dari 102 hingga 87°. Pasifasi ikatan suspensi oleh atom eksternal pulih θ1 dan menimbulkan reaksi tolak-menolak, yang ditandai dengan bentangan \( {d}_{P-P}^1 \) dan \( {d}_{P-P}^2 \). Dalam kasus TM, adsorpsi atom V menunjukkan reaksi tolak-menolak terkuat dengan yang terbesar θ1 . Serupa dengan H, adsorpsi elemen TM stabil secara energi dengan energi ikat pada orde 4 eV. Kedua tepi APNR hampir independen satu sama lain, sehingga parameter geometri dan Eb tidak sensitif terhadap lebar APNR. Geometri ikat dan energi juga berlaku dalam konfigurasi magnetik yang berbeda untuk TM-n -APNR.
Struktur Elektronik dan Sifat Magnetik
Pada Gambar. 3, kami menyajikan struktur pita dan fungsi gelombang khas elektron dalam 9-APNR dengan dan tanpa modifikasi tepi. APNR murni adalah semikonduktor tidak langsung non-magnetik dengan celah pita Eg 0,5 eV, di mana status elektronik pada pita valensi (konduksi) di atas (bawah) adalah status massal (tepi). Ketika atom tepi P dipasifkan oleh atom H, pita konduksi karena ikatan suspensi tepi pada APNR murni bergeser menjauh dari celah pita dan ANPR terhidrogenasi menjadi semikonduktor langsung dengan celah pita yang lebih lebar Eg 1.0 eV. Keadaan di bagian bawah pita konduksi dan di bagian atas pita valensi adalah semua keadaan massal. Saat lebar bertambah dari n =9 hingga 17, celah pita sedikit berkurang dari 1,01 menjadi 0,89 eV sesuai dengan yang diprediksi oleh Han et al. [49].
Struktur pita dan fungsi gelombang tipikal di dekat energi Fermi dari 9-APNR murni yang dimodifikasi oleh a H, b V, c Cr, dan d Mn atom
Ketika atom TM diadsorpsi di tepi APNR, mereka tetap terpolarisasi berputar. Dalam konfigurasi FM, V-n -APNR adalah semikonduktor magnetik dengan celah pita yang bergantung pada putaran. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 3b, untuk n =9, elektron spin-up memiliki celah tidak langsung \( {E}_g^{\mathrm{up}}\kira-kira 0,03 \) eV sedangkan elektron spin-down memiliki celah langsung \( {E}_g ^{\mathrm{down}}\kira-kira 0,5 \) eV. Keadaan elektronik di pita spin-up di sekitar energi Fermi terdiri dari d orbital dari V adatom dan terbatas pada tepi. Pita tepi spin-up tersebut memiliki dispersi yang serupa dan terisi sebagian. Bagian atas pita valensi yang sesuai dan bagian bawah pita konduksi terpisah di k ruang tetapi dekat satu sama lain dalam energi. Celah pita tidak langsung yang sempit muncul untuk elektron spin-up. Sebaliknya, semua pita tepi spin-down jauh di atas energi Fermi. Pita valensi spin-down berasal dari keadaan massal dan memiliki dispersi yang berlawanan dari pita konduksi spin-down yang berasal dari keadaan tepi. Ini menghasilkan celah pita langsung untuk elektron spin-down. Pita tepi V muncul berpasangan karena kopling lemah antara atom V tepi kiri dan kanan. Tiga dari lima pasangan ditempati sehingga setiap sel primitif memiliki momen magnet 6 μB .
Satu pasang spin-up dan semua spin-down d pita tepi orbital terletak di atas tingkat Fermi di Cr-9-APNR seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 3c, karena ada empat d elektron orbital pada setiap atom Cr. Karena sedikit tumpang tindih dari dua pasang tertinggi pita tepi spin-up di dekat bagian atas pita valensi spin-down, ia menjadi setengah logam dengan tingkat Fermi tepat di atas bagian atas pita valensi spin-down. Di Mn-9-APNR, kelima pasang spin-up d pita orbital ditempati sementara spin-down d pita orbital kosong seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d. Ini menjadi setengah semikonduktor di mana celah pita dari putaran yang berlawanan sangat berbeda, dengan \( {E}_g^{\mathrm{up}}\approx 1 \) eV untuk spin-up dan \( {E}_g^{\ mathrm{down}}\kira-kira 0.3 \) eV untuk spin-down. Kedua putaran memiliki puncak pita valensi yang sama yang merupakan status massal. Namun, bagian bawah pita konduksi dari spin-down jauh lebih rendah daripada spin-up karena keadaan tepi spin-down yang tidak terisi.
Struktur elektronik TM-n -APNR tetap dengan pola yang sama dan tidak banyak berubah seperti n meningkat seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4. Namun demikian, sifat fisik dapat bervariasi secara signifikan dalam sampel yang dipasifkan Cr karena celah energi dapat terbuka sebagai n meningkat. Sempit Cr-n -APNR adalah setengah logam, tetapi Cr-n . yang lebar -APNR dapat menjadi semikonduktor seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 4 untuk n =11 dan n =17, masing-masing.
Struktur pita yang murni n -APNR dan yang dimodifikasi tepi oleh atom V, Cr, dan Mn untuk berbagai n . Tampilan Cr-n . yang diperbesar -APNR di dekat level Fermi ditampilkan di sisipan untuk n =11 dan 17
Profil distribusi momen magnetik FM TM-9-APNRs ditunjukkan pada Gambar. 2, di mana isosurfaces dari kerapatan putaran ∆ρ = ρ
naikρ
turun
= 0.004 e/Å
3
diplot. Di sini, ρ
naik
dan ρ
turun
adalah kerapatan elektron spin-up dan spin-down. Momen magnetik terkonsentrasi terutama di sekitar atom TM, dan kontribusi dari atom P terlalu kecil untuk ditunjukkan dengan jelas. Pada Tabel 2, kami menyajikan momen magnetik total MB dalam sel primitif, jumlah momen dari sepuluh atom tepi ME =2 P (TM) + 4 P (P1 ) + 4 P (P2 ), dan momen atom sisi tunggal TM, P1 /P4 , atau P2 /P3 .
Momen magnetik total terutama berasal dari atom tepi (MTME ) dan dalam satuan μB per sel primitif mendekati nomor elektron valensi atom logam transisi dikurangi 4. Dalam V-n -APNR, atom tepi P (P1 dan P4 ) sedikit terpolarisasi antiparalel sedangkan atom P tepi kedua (P2 dan P3 ) terpolarisasi paralel. Jadi momen magnet dari atom P hampir dibatalkan satu sama lain. Setiap atom V memiliki momen magnet sekitar 3 μB dari tiga 3d orbital. 4 orbital terisi penuh mirip dengan atom V tunggal. Sebaliknya, atom tepi P di Cr-n -APNR memiliki momen magnet yang jauh lebih besar yaitu M (P1) ≈ − 0,27μB . Secara kebetulan, mereka memiliki d . terpanjang P TM
di antara tiga TM-APNR, menunjukkan juga deviasi geometri terbesar dari atom P dari yang ada di fosforena 2D. Selanjutnya, setiap atom Cr memiliki momen magnet kira-kira 5 μB , bukannya 4 μB . Ini menunjukkan bahwa 4 orbital tidak terisi penuh dan berkontribusi pada polarisasi spin, mirip dengan kasus atom Cr terisolasi yang memiliki konfigurasi elektron valensi 3d
5
4
1
. s . terpolarisasi spin orbital atom Cr dalam Cr-APNR mungkin telah menginduksi polarisasi spin antiparalel di p orbital di atom P tetangga mereka melalui mekanisme pertukaran kinetik. Di Mn-n -APNR, d orbital atom Mn terisi setengahnya dengan momen magnet sekitar 5 μB dan atom P tetangga semuanya terpolarisasi paralel dengan sangat lemah. Pada Gambar. 5, kami memplot kerapatan parsial keadaan (PDOS) (biru) dari d orbital dalam atom TM bersama dengan kepadatan total keadaan (DOS) (hitam) dari 9-APNR. Di sini, spin split dan penyebaran energi d orbital ditunjukkan dengan jelas. Dalam APNR murni dan terhidrogenasi, spektrum DOS spin-up dan spin-down tumpang tindih satu sama lain yang menunjukkan tidak ada polarisasi putaran. Dalam TM-APNR, spin-up dan spin-down d spektrum PDOS orbital terdistribusi terutama dalam rentang energi 2 hingga 4 eV. Mereka dipisahkan dengan baik dalam energi dengan pemisahan sekitar 3, 9, dan 4 eV di V-, Cr-, dan Mn-APNR, masing-masing. Tidak termasuk d orbital, p orbital atom P mendominasi kontribusi terhadap DOS pita valensi. Perhatikan bahwa s orbital atom Cr juga berkontribusi signifikan dalam Cr-APNR. Pasifasi tepi atom Co dan Ni juga dapat menyebabkan magnetisme dalam APNR, tetapi magnetisme yang diperkenalkan oleh elemen TM lain seperti Sc, Ti, Fe, Cu, dan Zn mungkin cukup terbatas.
DOS (kurva hitam) dari 9-APNR murni dan dimodifikasi dalam status FM mereka diplot untuk putaran atas (kanan) dan putaran bawah (kiri). d orbital PDOS (kurva biru) atom TM juga disajikan untuk perbandingan. DOS V-9-APNR di dekat energi Fermi diperbesar di sisi dalam untuk menunjukkan celah pita
Pengaruh Medan Listrik Transversal
Medan listrik transversal telah banyak digunakan dalam perangkat elektronik untuk mengontrol konsentrasi pembawa dan struktur pita semikonduktor [54, 55]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1d, kami mensimulasikan struktur elektronik TM-n -APNR dalam konfigurasi FM di bawah medan listrik transversal \( \mathcal{E}={V}_t/l \) sejajar dengan bidang nanoribbon, melalui mengapit pita nano di antara dua batang paralel. Di sini, Vt adalah perbedaan tegangan antara dua batang dan l adalah perpisahan di antara mereka. Karena efek Stark, dua keadaan merosot yang dipisahkan dalam ruang nyata sejauh sepanjang medan listrik harus dibagi sebesar \( \delta E=e{\mathcal{E}}^{\ast}\Delta \) , di mana medan listrik efektif \( {\mathcal{E}}^{\ast } \) biasanya lebih kecil dari medan listrik eksternal \( \mathcal{E} \) sebagai akibat dari efek penyaringan. Di TM-n -APNRs, jarak antara pusat keadaan dari pasangan pita tepi dapat mencapai lebar pita nano jika setiap keadaan dibatasi hanya pada satu sisi tetapi harus lebih pendek atau bahkan menghilang untuk keadaan tepi campuran. Seperti yang diilustrasikan oleh fungsi gelombang pada Gambar 3, keadaan tepi biasanya bercampur.
Pada Gambar 6, kami menyajikan struktur pita V-, Cr-, dan Mn-13-APNR untuk berbagai \( \mathcal{E} \). Lebar pita nano adalah sekitar \( w=0.5\left(n-1\right)\times 3.31\ {\AA}+{d}^{P-\mathrm{TM}}\cos \left({135}^ {{}^{\circ}}-{\theta}_2\right)\approx 21\kern0.20em {\AA}. \)Pemisahan Stark jauh lebih kecil dari \( e\mathcal{E}w \) menunjukkan efek penyaringan yang kuat atau campuran yang kuat dari keadaan tepi. Karena V-13-APNR memiliki celah pita spin-up yang sangat sempit, ia menjadi setengah logam pada sekitar \( \mathcal{E}=3 \) V/nm. Pemisahan yang mencolok dari pita tepi konduksi dapat mencapai 0,1 eV pada \( \mathcal{E}=5 \) V/nm. Cr-13-APNR menunjukkan kekuatan pemisahan Stark yang serupa dan tetap setengah metalik di bawah medan transversal.
Struktur pita spin-up (padat) dan spin-down (dotted) dari a V-, b Cr-, dan c Mn-13-APNR di bawah medan listrik transversal dengan kekuatan \( \mathcal{E}=0,1,\dots, 5 \) V/nm. d Celah pita Mn-n -APNR versus \( \mathcal{E} \) untuk putaran ke atas (\( {E}_g^{\mathrm{up}} \), garis padat) dan putaran ke bawah (\( {E}_g^{\mathrm {bawah}} \), garis putus-putus) dengan n =9, 11, dan 13. e Perbedaan kesenjangan \( \Delta E={E}_g^{\mathrm{up}}-{E}_g^{\mathrm{down}} \) versus \( \mathcal{E} \)
Efek Stark yang jauh lebih kuat diamati pada setengah-semikonduktor Mn-13-APNR seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6c. Pasangan pita konduksi spin-down dari keadaan tepi mendapatkan pemisahan sekitar 0,55 eV pada titik di k spasi di bawah \( \mathcal{E}=5 \) V/nm. Pita konduksi spin-down tumpang tindih dengan pita valensi spin-up, dan Mn-13-APNR berpindah dari setengah semikonduktor ke logam seperti yang diilustrasikan oleh inset yang diperbesar. Pada Gambar 6d, kami memplot celah energi spin-up dan spin-down versus kekuatan medan. Fungsi gelombang elektron berubah dengan medan, dan celah energi tidak bervariasi secara linier dengan medan. Celah pita Mn-13-APNRs hampir menghilang pada \( \mathcal{E}=5 \) V/nm untuk elektron spin-down tetapi tetap di atas 0,75 eV untuk elektron spin-up. Perbedaan celah energi ∆E antara putaran berlawanan diplot versus \( \mathcal{E} \) pada Gambar. 6e untuk n =9, 11, dan 13. ∆E meningkat dalam langkah yang jauh lebih lambat untuk n =9 daripada untuk n =11 dan 13 di medan rendah, tetapi caranya terbalik di medan tinggi.
Putar p-n Persimpangan
Kita telah melihat bahwa atom TM dapat memodulasi struktur pita APNR dengan berbagai cara. Ini menawarkan peluang untuk desain perangkat baru. Misalnya, kita dapat menggabungkan Cr-APNR dan Mn-APNR untuk membentuk p-n yang bergantung pada putaran persimpangan jalan. Eksperimen, doping ion logam [56] dalam fosforen tersedia. Jahitan halus bahan 2D [57] dan modifikasi tepi atomik dari nanoribbon juga dapat diwujudkan [58]. Teknik-teknik itu mungkin digunakan untuk membuat p-n persimpangan jalan. Pada Gambar 7a, kami memplot tegangan arusnya (I-V ) karakteristik yang diperoleh dari simulasi sistem dua probe yang ditunjukkan pada inset atas. Putaran p-n persimpangan menunjukkan efek penyearah yang sangat kuat untuk elektron spin-up tetapi hanya efek lemah untuk elektron spin-down. Ketergantungan putaran ini berasal dari struktur pita yang berbeda dari elektroda kiri dan kanan seperti yang diilustrasikan pada sisipan bawah. Di bawah bias negatif, elektroda Mn-APNR kiri memiliki energi Fermi μL = e |Vb |/2 dan Cr-APNR kanan μR = − e |Vb |/2. Di dalam jendela transportasi rentang energi [μL ,μR ], hanya terdapat sebagian kecil dari pita energi spin-down pada elektroda Cr-APNR, sehingga arus spin-down tetap rendah. Sebaliknya, tumpang tindih yang luas dari pita energi spin-up ada di kedua elektroda Mn- dan Cr-APNR dan arus spin-up meningkat dengan cepat dengan bias. Di dalam jendela transportasi [μR ,μL ] di bawah bias positif, bagaimanapun, tidak ada pita energi spin-up di elektroda kiri dan arus yang sesuai tetap hampir nol karena Mn-APNR adalah p -jenis semikonduktor celah lebar untuk putaran ke atas. Arus spin-down mulai meningkat pada Vb =0,2 V ketika energi Fermi kanan sejajar dengan pita konduksi spin-down kiri. Pada Gambar 7b, kami memplot rasio rektifikasi ασ = [Akuσ (−|Vb |) − Akuσ (|Vb |)]/Sayaσ (|Vb |) putaran σ sebagai fungsi dari besaran bias |Vb |. Di |Vb | = 0,5 V, putaran APNR p-n persimpangan memiliki rektifikasi 2400 untuk putaran atas dan hanya 2 untuk putaran bawah.
aI-V . yang bergantung pada putaran karakteristik heterojungsi Mn/Cr-9-APNR. Geometri sistem dua-penyelidikan ditunjukkan pada inset atas. Skema sisipan bawah penyelarasan pita energi elektroda untuk bias negatif dan positif. b Rasio perbaikan yang sesuai α diplot versus besarnya bias
Kesimpulan
Simulasi DFT-NEGF menunjukkan bahwa fungsionalisasi tepi atom TM dapat sangat memanipulasi sifat listrik dan magnetik APNR semikonduktor non-magnetik dan menjadikannya logam atau setengah semikonduktor. Atom TM dalam TM-APNR mempertahankan konfigurasi elektronnya dalam keadaan terisolasi di mana magnet dari atom V dan Mn terutama berasal dari d orbital tetapi Cr dari keduanya d dan s orbital. Dalam Mn-APNR, d orbital terisi setengah. Semua spin-up d orbital atom Mn ditempati dan spin-down d orbital berada di atas tingkat Fermi. Karena celah pita yang sempit dari d orbital, Mn-APNR menjadi setengah semikonduktor di mana pita energi spin-down memiliki celah yang jauh lebih sempit di tingkat Fermi daripada pita spin-up. Sifat khusus ini dapat digunakan untuk desain perangkat spintronik karena bahan dapat berupa semikonduktor untuk satu putaran dan isolator untuk putaran lainnya dalam kondisi yang tepat. Dengan bantuan efek Stark pada keadaan tepi, celah energi dapat dimodulasi lebih lanjut oleh medan listrik transversal yang diterapkan. Misalnya, medan 5 V/nm dapat menutup celah pita elektron spin-down sambil mempertahankan celah 0,75 eV untuk elektron spin-up. Dengan memanfaatkan perbedaan pita energi yang drastis antara Mn- dan Cr-APNR, kita dapat merancang putaran p-n dioda sambungan Mn/Cr-APNR di mana penyearahan kuat hanya terjadi untuk satu putaran.
