Selang Band Dapat Diatur dan Mobilitas Pembawa Luar Biasa dalam Monolayer SiAs dan SiAs₂: Wawasan First‑Principles

Abstrak

Mengidentifikasi semikonduktor dua dimensi (2D) atomik tipis yang menggabungkan selang yang cukup besar dengan mobilitas pembawa tinggi tetap menjadi tantangan utama dalam ilmu bahan. Sintesis terbaru kristal tunggal berlapis SiAs telah menunjukkan bahwa SiAs beberapa lapis dapat diambil secara mekanis, yang mengindikasikan keberlanjutan produksi monolayer. Dengan menggunakan teori fungsi kepadatan (DFT), kami menunjukkan bahwa baik monolayer SiAs maupun SiAs₂ adalah semikonduktor yang stabil secara dinamis dan termodinamis dengan selang tidak langsung sebesar 2,39 eV dan 2,07 eV, masing-masing. Penerapan regangan biaxial mengubah selang tidak langsung ini menjadi selang langsung (1,75 eV untuk SiAs dan 1,60 eV untuk SiAs₂) dan, pada regangan yang lebih besar, menginduksi transisi logam. Perhitungan mobilitas pembawa menunjukkan nilai hingga 3,9 × 10³ cm² V⁻¹ s⁻¹ untuk lubang dalam SiAs, melebihi MoS₂ dan menunjukkan anisotropi yang mirip dengan fosforena hitam. Temuan ini menyoroti SiAs dan SiAs₂ sebagai calon yang menjanjikan untuk perangkat optoelektronik generasi mendatang.

Latar Belakang

Materi dua dimensi telah menjadi sumbu penelitian kondensasi materi kontemporer, menawarkan properti elektronik, optik, dan mekanis yang dapat diatur. Setelah penemuan grafen, keluarga beragam kristal 2D—termasuk silisena, nitrida borida, dalkogenida logam transisi (TMDs), fosforena hitam, borofena, arsenena, tellurena, dan banyak turunan isoelektronik lainnya—telah direalisasikan secara eksperimental, masing-masing membawa keuntungan dan tantangan unik [1–23].

Sementara grafen memiliki mobilitas pembawa yang luar biasa, selang nolnya membatasi aplikasi digital. TMDs menyediakan selang intrinsik tetapi menderita mobilitas rendah [26–28], dan fosforena menawarkan baik selang maupun mobilitas tinggi namun tidak stabil secara kimiawi di udara [13, 29]. Pertumbuhan yang berhasil baru-baru ini kristal berlapis SiAs dan SiAs₂ membuka jalur baru untuk semikonduktor 2D stabil yang dapat diambil dengan potensi properti yang unggul [30–32].

Dalam studi ini, kami menggunakan DFT first-principles untuk memprediksi karakteristik struktural, elektronik, dan transportasi monolayer SiAs dan SiAs₂. Kami mengonfirmasi stabilitas mekanis mereka, menghitung struktur bentang mereka, dan mengevaluasi rekayasa selang yang diinduksi regangan dan mobilitas pembawa, memosisikan bahan-bahan ini sebagai pesaing kuat untuk optoelektronik berkinerja tinggi.

Metode Komputasi

Semua perhitungan dilakukan dengan Paket Simulasi Ab-initio Vienna (VASP) menggunakan fungsi korelasi pertukaran Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) dalam pendekatan gradient umum (GGA). Metode augmented wave proyektor (PAW) menjelaskan interaksi inti-valensi. Celah vakum 20 Å mencegah coupling antar lapis, dan potong gelombang datar 500 eV memastikan konvergensi. Pemetaan zona Brillouin menggunakan jaringan Monkhorst–Pack 15 × 5 × 1 untuk lembar 2D. Relaksasi struktural konvergen ke 10⁻⁴ eV dalam energi total dan 0,01 eV/Å dalam gaya.

Dispersi fonon diperoleh melalui pendekatan sel super dalam PHONOPY, dengan konstanta gaya yang diambil dari teori fungsi kepadatan peubah (DFPT) dalam VASP. Untuk mengonfirmasi stabilitas termal, simulasi molekuler dinamis NVT 6 ps pada 300 K dijalankan pada sel super 3 × 3 × 1 (langkah waktu 2 fs). Spektra Raman dihitung pada tingkat PBE menggunakan CASTEP [39–41].

Hasil dan Pembahasan

Geometri monolayer yang direlaxasi SiAs dan SiAs₂ ditunjukkan dalam Gambar 1. SiAs bulk (simetri C2/m) dan SiAs₂ (simetri Pbam) dijaga bersama oleh gaya van-der-Waals lemah, dengan jarak antar lapis 3,06 Å dan 1,66 Å, masing-masing. Monolayer SiAs adopsi jaring rombus (a₁ = 3,69 Å, b₁ = 10,83 Å, φ = 99,81°) dengan enam atom Si dan enam atom As per sel satuan; ikatan Si–Si dan Si–As mengukur 2,35 Å dan 2,39–2,43 Å, dan ketinggian buckling adalah 4,86 Å. SiAs₂ membentuk jaring persegi panjang (a₂ = 3,68 Å, b₂ = 10,57 Å) yang berisi empat atom Si dan delapan atom As; ikatan As–As adalah 2,50 Å, ikatan Si–As 2,41–2,45 Å, dan ketinggian buckling adalah 5,09 Å. Peta densitas elektron menunjukkan bahwa atom As, karena elektronegativitas lebih tinggi, mengakumulasi densitas elektron dengan mengorbankan Si, mengonfirmasi ikatan kovalen yang kuat.

Spektra Raman (Gambar S2) menunjukkan pergeseran yang jelas antara fase monolayer dan bulk, yang dapat diatribusikan pada hilangnya interaksi van-der-Waals antar lapis.

Stabilitas dikuantifikasi melalui energi kohesi: 5,13 eV/atom untuk SiAs dan 4,98 eV/atom untuk SiAs₂, melebihi arsenena (2,99 eV/atom) dan silisena (3,71 eV/atom) [18, 43]. Perhitungan fonon (Gambar 2a) tidak menunjukkan mode imajiner kecuali cabang akustik transmiri yang lemah di dekat Γ, mengonfirmasi stabilitas dinamis. Simulasi molekuler dinamis 300 K (Gambar 2b) menunjukkan fluktuasi energi minimal dan struktur yang terpelihara, menunjukkan ketahanan termal.

Analisis struktur bentang (Gambar 3) menunjukkan bahwa kedua monolayer adalah semikonduktor tidak langsung: SiAs (E_g = 1,72 eV) dengan VBM di Y dan CBM di Γ; SiAs₂ (E_g = 1,42 eV) hampir langsung dengan VBM di dekat Y dan CBM sedikit tergeser. Perhitungan fungsi hibrida HSE06 meningkatkan selang menjadi 2,39 eV (SiAs) dan 2,07 eV (SiAs₂). Dekomposisi orbital menunjukkan VBM didominasi oleh orbital p_y dan CBM oleh orbital s, yang menunjukkan bahwa pergeseran yang diinduksi regangan dapat mendorong transisi tidak langsung-ke-langsung.

Mobilitas pembawa dievaluasi menggunakan teori potensi deformasi. Massa efektif (m*) bervariasi secara anisotropis: untuk SiAs, m*_e = 0,15 m₀ (x) dan 0,80 m₀ (y); m*_h = 0,86 m₀ (x) dan 0,22 m₀ (y). Untuk SiAs₂, m*_e = 0,14 m₀ (x) dan 2,05 m₀ (y); m*_h = 0,65 m₀ (x) dan 1,82 m₀ (y). Konstanta elastis dan potensi deformasi (Tabel S1) menghasilkan mobilitas elektron 0,66 × 10³ cm² V⁻¹ s⁻¹ (x) dan 0,54 × 10³ cm² V⁻¹ s⁻¹ (y) untuk SiAs, dan 0,26 × 10³ cm² V⁻¹ s⁻¹ (x) dan 0,11 × 10³ cm² V⁻¹ s⁻¹ (y) untuk SiAs₂. Mobilitas lubang mencapai 3,90 × 10³ cm² V⁻¹ s⁻¹ (x) dan 0,30 × 10³ cm² V⁻¹ s⁻¹ (y) untuk SiAs, melebihi MoS₂ dan mencerminkan transport anisotropi seperti fosforena hitam.

Plot kepadatan keadaan parsial (PDOS) (Gambar 4) menunjukkan hibrida s–p yang kuat antara Si dan As, dengan keadaan pasangan lone p_z yang terlokalisasi yang berkontribusi pada buckling. Peta densitas energi mengonfirmasi bahwa VBM adalah hibrida orbital Si/As p, sementara CBM berasal terutama dari orbital s.

Rekayasa regangan secara dramatis menyesuaikan properti elektronik. Regangan kompresi biaxial meningkatkan ketinggian buckling dan menginduksi urutan transisi tidak langsung-ke-langsung dalam SiAs (Gambar 5c) dan, pada regangan yang lebih besar, transisi logam. Untuk SiAs₂, regangan tarik 8–10 persen mengubah materi menjadi semikonduktor selang langsung (E_g = 1,60 eV, HSE) sebelum status logam muncul pada regangan yang lebih tinggi (Gambar 5d). Evolusi struktur bentang yang rinci di bawah regangan ditunjukkan dalam Gambar 6 dan 7. Konfigurasi selang langsung representatif ditampilkan dalam Gambar S7.

Kesimpulan

DFT first-principles memprediksi bahwa monolayer SiAs dan SiAs₂ keduanya adalah semikonduktor yang stabil secara dinamis dan termodinamis. Selang tidak langsung mereka (2,39 eV dan 2,07 eV) sangat dapat diatur oleh regangan, memungkinkan transisi tidak langsung-ke-langsung dan logam. Mobilitas pembawa melebihi MoS₂ dan menunjukkan anisotropi yang jelas seperti fosforena hitam. Properti ini memosisikan SiAs dan SiAs₂ sebagai platform yang menarik untuk perangkat optoelektronik berkinerja tinggi pada skala nanoskopis.

Singkatan

2D:

Dua dimensi

CASTEP:

Cambridge sequential total energy package

CBM:

Bentang konduksi minimum

DFT:

Teori fungsi kepadatan

DFPT:

Teori fungsi kepadatan peubah

DP:

Potensi deformasi

GGA:

Pendekatan gradient umum

MD:

Dinamika molekuler

NVT:

Volume-suhu-mol

PAW:

Augmented wave proyektor

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

PDOS:

Kepadatan keadaan parsial

TMDs:

Dalkogenida logam transisi

VASP:

Paket simulasi ab initio Vienna

VBM:

Bentang valensi maksimum