Meratakan Kinerja Heterojunction Berdasarkan -Borophene Nanoribbons dengan Edge Passivation

Hasil dan Diskusi

Tegangan yang dihitung saat ini (I V ) kurva heterojungsi Mn H, M ^′ n H, dan Mn N dalam rentang bias 1.0 hingga 1,0 V masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 3a–c. Dari ini Saya V kurva, kita dapat dengan jelas melihat bahwa dengan peningkatan bias positif, arus meningkat dengan cepat di ketiga jenis persimpangan. Namun, dengan peningkatan bias negatif, arus yang melalui persimpangan meningkat lebih lambat. Aku V kurva jelas memiliki karakteristik asimetris di bawah seluruh bias, yang berarti bahwa persimpangan memiliki perilaku penyearahan dalam rentang bias. Efek rektifikasi pada heterojunction terutama disebabkan oleh asimetri nanoribbons yang berbeda di sisi kiri dan kanan dan pembentukan antarmuka di wilayah hamburan pusat. Untuk mengevaluasi kekuatan perilaku perbaikan, kami menggunakan data untuk I V kurva untuk menghitung rasio rektifikasi (RR), yang didefinisikan sebagai RR (V )=|Saya (+V )|/|Saya (−V )|, di mana saya (±V ) mewakili arus di bawah bias positif dan negatif. RR yang dihitung dari tiga jenis persimpangan Mn H, M ^′ n H, dan Mn N dalam rentang bias 0,1 V 0,5 V masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 3d–f. Untuk tipe Mn H, RR M1H hanya 3 pada 0,2 V sedangkan M10H bisa mencapai 115 pada bias yang sama. Demikian pula, untuk M ^′ n Tipe N pada bias 0.2 V, RR dari M ^′ 1H adalah 3 dan M ^′ 10H hingga 90. Selain itu, untuk Mn Jenis N, RR M1N adalah 2 pada 0,3 V sedangkan M10N mencapai hingga 240. Selanjutnya, dengan pengamatan cermat pada Gambar. 3, kami menemukan bahwa besaran arus dan RR dapat dikontrol dengan mengubah ukuran semikonduktor bagian dari persimpangan. Secara khusus, di satu sisi, arus di persimpangan berkurang dengan jumlah sel primitif dari bagian semikonduktor meningkat. Di sisi lain, RR meningkat secara signifikan dengan jumlah sel primitif meningkat. Karena sisi kanan heterojunction adalah nanoribbon semikonduktor dengan celah pita, kemungkinan tunneling elektron meluruh secara eksponensial seiring dengan bertambahnya panjang semikonduktor. Akibatnya, dalam heterojungsi Mn H, M ^′ n H, dan Mn N, sebagai n meningkat, RR meningkat secara signifikan. Hasil ini sesuai dengan penelitian sebelumnya pada heterojungsi berdasarkan bahan 2D lainnya [44-46].

Aku -V karakteristik dan rasio rektifikasi untuk tiga jenis heterojungsi, di mana a –c sesuai dengan I -V kurva untuk persimpangan Mn H, M ^′ n H, dan Mn T (n =1, 2, 5, 8, 10) masing-masing dalam kisaran bias (− 1,1) V. Sisipan di c adalah I . yang diperbesar -V kurva Mn N dalam kisaran bias. d –f Rasio perbaikan dihitung sesuai dari I-V data

Membandingkan I V kurva dan RR di antara tiga jenis heterojungsi yang ditunjukkan pada Gambar. 3, kami menemukan bahwa variasi I V kurva dan RR untuk Mn H dan M ^′ n H memiliki tren serupa. Namun, untuk Mn N berbeda nyata. Untuk menjelaskan perbedaan sifat transpor dari ketiga jenis sambungan tersebut, kami telah menghitung spektrum transmisi di bawah bias nol yang ditunjukkan pada Gambar 4, di mana struktur pita dari elektroda kiri dan kanan disertai. Dari spektrum transmisi ini, kita dapat melihat bahwa semua sambungan memiliki celah transmisi di dekat tingkat Fermi, di mana kita menggunakan garis putus-putus magenta untuk menunjukkan posisi celah. Alasan adanya celah transmisi adalah karena struktur pita energi dari elektroda kanan memiliki celah di dekat tingkat Fermi. Dengan demikian, struktur pita elektroda kiri dan kanan tidak sesuai, menyebabkan saluran transpor menjadi tertutup, dan elektron elektroda kiri tidak dapat mencapai elektroda kanan. Ini juga merupakan asal fisik dari arus lemah pada bias rendah. Selain itu, perbandingan Gambar 4a, b dan Gambar 4a, c menunjukkan bahwa spektrum transmisi Mn H dan M ^′ n H di bawah bias nol memiliki tren yang sama; namun, tren Mn H dan Mn N sangat berbeda. Ini ditentukan oleh tingkat pencocokan struktur pita elektroda kiri dan kanan di dekat tingkat Fermi. Pita nano logam kiri dari persimpangan M ^′ n H berubah dari Z α BNR hingga 1H-Z α BNR dibandingkan dengan Mn H. Derajat pencocokan antara elektroda kiri dan kanan di dekat tingkat Fermi hampir tidak berubah. Namun, untuk Mn N, nanoribbon semikonduktor kanan diubah dari 2H-Z α BNR ke N-Z α BNR dibandingkan dengan Mn H. Celah pita meningkat dari 0,43 eV menjadi 1,0 eV, yang menghasilkan penurunan derajat pencocokan elektroda kiri dan kanan di dekat level Fermi. Oleh karena itu, sifat transportasi Mn H dan M ^′ n H hampir sama, sedangkan Mn H dan Mn N jelas berbeda. Hasil ini menunjukkan bahwa mengubah nanoribbon logam bagian kiri memiliki sedikit efek pada sifat transpor persimpangan; namun, mengubah nanoribbon semikonduktor bagian kanan memiliki pengaruh yang besar terhadapnya.

Struktur pita elektroda kiri dan kanan, di mana tingkat Fermi diatur ke nol dan garis putus-putus magenta menunjukkan celah pita elektroda semikonduktor kanan. Spektrum transmisi pada bias nol untuk heterojungsi a Mn H, b M ^′ n H, dan c Mn N dengan n =1 (garis putus-putus merah), 5 (garis putus-putus biru), dan 10 (garis hijau solid) masing-masing ditampilkan di bagian tengah setiap gambar

Untuk lebih memahami detail perilaku rektifikasi untuk heterojungsi, kami menghitung spektrum transmisi pada beberapa bias tertentu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, di mana bagian atas/bawah menunjukkan spektrum transmisi persimpangan di bawah bias positif/negatif. Menurut rumus Landauer-Büttiker, kita tahu bahwa arus di persimpangan berhubungan langsung dengan area terintegrasi dari spektrum transmisi dalam jendela bias [47-49]. Dari spektrum transmisi yang ditunjukkan pada Gambar 5, kita dapat melihat bahwa ketiga jenis model tersebut memiliki kecenderungan yang sama. Di jendela bias, area terintegrasi dari spektrum transmisi berkurang dengan jumlah sel primitif di bagian semikonduktor meningkat. Inilah sebabnya mengapa arus di heterojungsi berkurang dengan jumlah sel di bagian semikonduktor meningkat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Gambar 5a menunjukkan spektrum transmisi dari heterojungsi Mn H pada ± 0,3 V. Untuk M1H, area integral dari spektrum transmisi di jendela bias pada 0,3 V hanya sedikit lebih besar dari 0,3 V. Oleh karena itu, arus 0,3 V hanya sedikit lebih tinggi dari 0,3 V, dan RR hanya 3 pada bias 0,3 V. Namun, untuk M5H dan M10H, area integral dari spektrum transmisi di bawah bias positif di jendela bias secara signifikan lebih besar daripada di bawah bias negatif. Hal ini menyebabkan arus M5H dan M10H di bawah bias positif lebih besar daripada di bawah bias negatif, dan RR jauh lebih besar dari M1H. Gambar 5b menunjukkan spektrum transmisi M ^′ n H pada ± 0,3 V. Dari gambar, terlihat bahwa spektrum transmisi M ^′ n H di jendela bias hampir sama dengan Mn H. Oleh karena itu, di bawah tegangan bias yang sama, arus dan RR M ^′ n H dan Mn H hampir sama [lihat Gambar 3b, e]. Spektrum transmisi Mn N pada ±0,9 V ditunjukkan pada Gambar 5c. Karena koefisien transmisi di jendela bias terlalu kecil, kami memperbesar spektrum transmisi di jendela bias dan melampirkannya sebagai sisipan ke sisi kanan bawah Gambar 5c. Tren spektrum transmisi M1N di jendela bias mirip dengan M1H dan M ^′ 1H. Oleh karena itu, RR M1N juga kecil. Untuk M5N dan M10N, area integral dari spektrum transmisi di bawah bias positif di jendela bias jauh lebih besar daripada area di bawah bias negatif. Oleh karena itu, dibandingkan dengan M1N, karakteristik asimetris dari I . ini V kurva lebih jelas. Ini menyiratkan bahwa mereka memiliki rasio rektifikasi yang besar. Perlu disebutkan bahwa RR M10N bisa mencapai 240, yang merupakan yang terbaik di antara ketiga tipe heterojunction.

Spektrum transmisi untuk heterojungsi a Mn H pada bias ± 0,3 V, b M ^′ n H pada bias ± 0,3 V, dan c Mn N pada bias ± 0,9 V dengan pilihan n . yang sama dalam warna garis untuk Gambar. 4, di mana pada setiap gambar bagian atas/bawah untuk transmisi pada bias positif/negatif. Dua garis solid vertikal (magenta) menunjukkan jendela bias. Inset pada Gbr. 5c adalah amplifikasi spektrum transmisi di jendela bias

Untuk menjelaskan spektrum transmisi secara lebih intuitif pada Gbr. 5, kami menunjukkan status eigen transmisi M5H dan M ^′ 5H di V =0,3 V, E =0,15 eV, dan V =0,3 V, E =0,15 eV masing-masing pada Gambar 6a dan b. Dan transmisi eigenstate M5N di V =0,9 V, E =0,45 eV, dan V =0,9 V, E =0,45 eV ditunjukkan pada Gambar. 6c [15, 16, 49]. Analisis status eigen transmisi dapat diperoleh dengan menggabungkan secara linear status Bloch yang merambat \(\sum _{m}C_{a,m}\psi _{m}\). C _{a ,m} dapat diturunkan dari diagonalisasi matriks transmisi, yaitu \({\sum \nolimits }_{n}T_{mn}C_{a,n}\)=λ _a C _{a ,m} , di mana λ _a adalah nilai eigen transmisi. Seperti dapat dilihat dari Gambar. 6, untuk semua heterojungsi, keadaan eigen transmisi di bawah bias negatif terletak di bagian logam (Z α yang tidak dipasifkan) BNR dan 1H-Z α BNR). Pada bias positif, eigenstate transmisi sebagian besar terlokalisasi di bagian kiri. Namun, itu membentuk saluran transmisi di heterojunction. Elektron dapat ditransfer dari elektroda kiri ke elektroda kanan. Oleh karena itu, di jendela bias, koefisien transmisi di bawah bias positif lebih besar daripada di bawah bias negatif. Sebagai perbandingan Gbr. 6a dengan b, kita dapat melihat bahwa transmisi eigenstate M ^′ 5H dan M5H hanya sedikit berbeda. Jadi, heterojungsi M ^′ 5H dan M5H memiliki koefisien transmisi yang hampir sama di jendela bias. Selain itu, untuk M5N, karena celah pita bagian semikonduktor meningkat, yang menghasilkan hamburan elektronik yang lebih dramatis di heterojungsi. Oleh karena itu, hanya beberapa keadaan eigen transmisi yang dapat ditransmisikan ke sisi kanan. Hal ini menyebabkan koefisien transmisi Mn N di jendela bias lebih kecil dari dua jenis heterojungsi lainnya. Sementara itu, pada bias yang sama, arus Mn N adalah yang terkecil dari tiga jenis heterojungsi.

Eigenstate transmisi untuk heterojunction a M5H pada bias 0,3 V dengan E =0,15 eV (atas) dan pada bias 0,3 V dengan E =0,15 eV (lebih rendah), b M ^′ 5H pada 0,3 V dengan E =0,15 V dan pada 0,3 V dengan E =0,15 eV, dan c M5N pada bias=0,9 V dengan E =0,45 eV dan pada 0,9 V dengan E =0,45 eV, masing-masing. Nilai iso ditetapkan pada 0,2 ⁻³ e V ⁻¹ untuk semua negara eigen

Akhirnya, untuk mengeksplorasi lebih lanjut efek nanoribbons kiri dan kanan pada sifat transpor dengan heterojungsi, Gambar 7 menunjukkan kepadatan proyeksi keadaan (PDOS) dari tiga jenis heterojungsi. Dari Gambar 7a, dapat dilihat bahwa spektrum PDOS disumbangkan oleh elektroda kiri (Z α yang tidak dipasifkan BNR) dari persimpangan M1H, M5H, dan M10H dengan tumpang tindih bersama di dekat tingkat Fermi. Ini menunjukkan bahwa PDOS yang disumbangkan oleh elektroda kiri hampir tidak terpengaruh oleh perpanjangan nanoribbon semikonduktor (2H-Z α BNR) di daerah hamburan tengah. Namun, spektrum PDOS disumbangkan oleh elektroda kanan (2H-Z α BNR) memiliki celah di dekat level Fermi. Hal ini disebabkan oleh celah pita di dekat tingkat Fermi dari elektroda kanan [lihat Gambar 3c]. Dipengaruhi oleh perluasan wilayah hamburan menengah 2H-Z α BNR, spektrum PDOS yang disumbangkan oleh elektroda kanan sambungan M1H, M5H, dan M10H sangat berbeda satu sama lain dalam rentang energi di luar celah pita. Karena tidak ada perbedaan esensial antara kedua elektroda untuk heterojunction M ^′ n H dan Mn H, elektroda kanan adalah sama dan elektroda kiri adalah pita logam. Jadi, PDOS dari M ^′ n H dan Mn H hampir sama di dekat tingkat Fermi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, b. Ini adalah salah satu alasan mengapa spektrum transmisi, I V kurva dan RR dari Mn H dan M ^′ n H serupa di bawah bias rendah [lihat Gambar. 3 dan 5]. Pada Gambar. 7c, kami menyajikan PDOS dari Mn N. Karena celah pita bagian semikonduktor di heterojungsi meningkat, efek elektroda kiri pada sifat transmisi menjadi lebih kecil. Oleh karena itu, PDOS saling tumpang tindih dalam rentang energi yang lebih besar di dekat tingkat Fermi. Spektrum PDOS yang disumbangkan oleh elektroda kanan ada celah dalam kisaran energi (− 0,5, 0,5) eV. Mereka konsisten dengan posisi celah dengan struktur pita N ZBNR. Dari PDOS, kita dapat menyimpulkan bahwa elektroda logam sisi kiri memiliki sedikit efek pada sifat transpor daerah hamburan menengah. Namun, bagian elektroda semikonduktor di sebelah kanan sangat penting untuk sifat transportasi dari wilayah hamburan menengah.

Kerapatan proyeksi keadaan (PDOS) dari elektroda ZBNR kiri yang tidak dipasifkan (atas) dan elektroda kanan (1H-Z α BNR, 2H ZBNR, atau N-Z α BNR) (lebih rendah) untuk a Mn H, b M ^′ n H, dan c Mn N dengan pilihan n . yang sama dalam warna garis untuk Gambar. 5, masing-masing