Properti Elektronik Dapat Diatur dari Bilayer α‑GeTe dengan Jarak Antar Lapis Variabel dan Listrik Eksternal

Abstrak

Menggunakan perhitungan first-principles, kami secara sistematis menyelidiki stabilitas, struktur elektronik, serapan optik, dan kelayakan penyesuaian bilayer α‑GeTe melalui perubahan jarak antar lapis dan penerapan medan listrik eksternal. Bilayer vdW menunjukkan selang tidak langsung sebesar 0,610 eV, yang mengindikasikan kemampuan panen cahaya yang efisien. Seiring dengan penurunan jarak antar lapis, selang menyusut linier karena interaksi vdW yang ditingkatkan. Di bawah medan listrik positif, keadaan gas elektron bebas dekat (NFEG) muncul, yang mendorong transisi selang; efek ini tidak terjadi di bawah medan negatif. Properti khas ini menunjukkan bahwa bilayer α‑GeTe adalah calon yang menjanjikan untuk perangkat elektronik dan optoelektronik masa depan, termasuk arsitektur penyimpanan data potensial.

Pendahuluan

Penemuan grafen [1, 2] telah mempercepat penelitian ke dalam berbagai materi dua dimensi (2D) seperti nitrida borida heksagonal (h-BN) [3], dalkogenida logam transisi (TMDs) [4], MXenes [5], dan heterostruktur vdW [6]. Materi ini menawarkan properti elektronik yang dapat diatur [9] dan fleksibilitas mekanis yang luar biasa [10], yang memungkinkan berbagai aplikasi elektronik dan optoelektronik [7, 8]. Namun, tantangan masih ada: fosforena merusak di udara [11], selenida indium (InSe) menunjukkan mobilitas lubang rendah dan serapan cahaya visibel yang lemah [12], dan grafen, silisena, serta germanen memiliki selang nol [7, 13, 14]. Oleh karena itu, mengidentifikasi semikonduktor 2D dengan stabilitas yang kuat, mobilitas pembawa tinggi, dan selang yang sesuai adalah penting.

Bulk α‑GeTe, semikonduktor IV–VI dengan lapis berkerucut yang diikat oleh Ge–Te, telah digunakan dalam memori fase perubahan nonvolatil [15, 16], komputasi neuromorfik [17], dan termoelektrik [18]. Nanostruktur α‑GeTe telah dibuat melalui depositasi lapis atom (ALD) [17], pertumbuhan vapor-padat-cair (VLS) [18], dan rute kimia terstabil polimer [19], yang menunjukkan suhu kristalisasi yang lebih tinggi dan titik leleh yang lebih rendah dari bulk [19]. Baru-baru ini, lembar α‑GeTe beberapa lapis (dua hingga empat lapis) dan bahkan monolayer diproduksi oleh ekfoliasi fasa cair yang didukung ultrason dari serbuk α‑GeTe dalam etanol [21]. Meski ada kemajuan ini, studi teoretis tentang rekayasa selang 2D α‑GeTe melalui medan listrik eksternal atau regangan vertikal masih jarang. Karena struktur multilayer lebih mudah diakses secara eksperimental dibandingkan monolayer, studi ini berfokus pada bilayer α‑GeTe—konfigurasi multilayer sederhana—untuk menilai stabilitasnya, struktur elektronik, respons optik, dan pengaruh jarak antar lapis serta medan listrik tegak lurus.

Metode Komputasi

Semua perhitungan menggunakan teori fungsi kepadatan (DFT) yang spin-polarized dengan metode augmented wave proyektor (PAW) seperti yang diimplementasikan dalam VASP [23, 24]. Pertukaran-korelasi diperlakukan dalam pendekatan gradient umum Perdew-Burke-Ernzerhof (GGA-PBE) [25], yang disempurnakan dengan koreksi vdW semi-empiris DFT-D3 [26]. Energi potong gelombang datar diatur pada 500 eV, dan jaringan k-point 15 × 15 × 1 mengebrili zona Brillouin. Selang vakum 30 Å sepanjang sumbu c mencegah interaksi slab. Struktur direlaks sepenuhnya hingga gaya turun di bawah 0,01 eV/Å dan energi total konvergen dalam 10⁻⁵ eV. Untuk menangkap selang dengan akurat, fungsi hibrida Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06) [27] digunakan untuk properti elektronik dan optik. Dispersi fonon dihitung melalui teori fungsi kepadatan peubah (DFPT) dalam Phonopy [28] menggunakan pendekatan quasi-harmonik.

Hasil dan Pembahasan

Struktur Geometrik

Monolayer α‑GeTe adopsi jaring heksagonal dengan konfigurasi berkerucut: atom Ge menempati satu sublayer sementara atom Te menempati yang lain. Konstanta jaring yang dioptimalkan adalah a = b = 3,95 Å, panjang ikatan Ge–Te L = 2,776 Å, dan sudut kerucut θ = 91,497°, sesuai dengan laporan sebelumnya [21]. Untuk bilayer, kami meneliti dua tumpukan simetri tinggi—AA dan AB (Bernal). Perhitungan energi total menunjukkan bahwa konfigurasi AA lebih stabil sebesar 147 meV, dengan jarak antar lapis 2,920 Å. Spektra fonon bilayer AA tidak menunjukkan frekwensi imajiner, mengonfirmasi stabilitas dinamis (Gambar 2). Pekerjaan eksperimental telah menunjukkan sintesis bilayer α‑GeTe yang stabil [21], oleh karena itu kami berfokus pada tumpukan AA dalam analisis berikutnya.

Struktur Elektronik

Perhitungan struktur bentang dan kepadatan keadaan parsial (PDOS) untuk monolayer α‑GeTe (Gambar 3a) mengungkapkan selang tidak langsung sebesar 1,796 eV, dengan bentang konduksi minimum (CBM) terletak di antara M dan Γ dan bentang valensi maksimum (VBM) di Γ. CBM didominasi oleh orbital Ge-s, Ge-p, dan Te-p, sementara VBM berasal dari keadaan Ge-p dan Te-p. Untuk bilayer, struktur bentang terproyeksi (Gambar 3b) menunjukkan selang tidak langsung sebesar 0,610 eV. CBM terutama berkontribusi dari lapis bawah, sementara VBM berasal dari lapis atas, mengonfirmasi penyesuaian bentang tipe-II. Analisis densitas energi (Gambar 3c) menunjukkan pemisahan spasial elektron (lapis bawah) dan lubang (lapis atas), yang memungkinkan disosiasi eksiton yang efisien—fitur yang menguntungkan untuk perangkat optoelektronik.

Properti Optik

Serapan optik diperoleh dari fungsi dielektrik kompleks ε(ω) menggunakan hubungan standar α(ω)=√2 ω[√(ε₁²+ε₂²)−ε₁]¹⁄². Spektra serapan (Gambar 4) menunjukkan bahwa monolayer α‑GeTe menunjukkan tiga puncak menonjol, yang sesuai dengan transisi antar-bentang. Bilayer menunjukkan serapan tambahan dalam daerah visibel dan dekat inframerah, sementara bulk α‑GeTe menunjukkan pita serapan lebar dan intensitas tinggi yang melintasi dari ultraviole dekat hingga inframerah, dengan intensitas mencapai 10⁵ cm⁻¹. Temuan ini menyoroti potensi α‑GeTe sebagai bahan panen cahaya yang efisien.

Efek Regangan Vertikal

Regangan vertikal memodulasi coupling antar lapis dan oleh karena itu selang bentang. Kami mengubah jarak antar lapis dari 2,420 Å hingga 3,520 Å, menghitung energi ikatan E_b = E_bilayer − 2E_monolayer (Gambar 5a). Semua konfigurasi terikat (E_b < 0), dengan jarak paling stabil pada 2,920 Å. Selang bentang meningkat monoton seiring dengan peningkatan jarak antar lapis, sementara topologi struktur bentang secara keseluruhan tetap tidak berubah (Gambar 5b). Perilaku ini mencerminkan yang diamati pada bilayer InSe [22] dan menekankan peran interaksi vdW serta tumpukan orbital dalam mengatur properti elektronik.

Efek Medan Listrik Eksternal

Penerapan medan listrik tegak lurus lebih lanjut menyesuaikan struktur bentang. Lapisan dipol datar disisipkan di daerah vakum untuk menegakkan medan, dengan arah positif menunjuk dari lapis bawah ke lapis atas. Selang bentang berubah secara halus antara 0,01 dan 0,64 V/Å, tetapi penurunan linier yang cepat terjadi di bawah medan kritis E_c dan di atas medan transisi E_t, yang mengarah pada transisi semikonduktor-ke-logam (Gambar 6). Rentang kritis–transisi (0,01–0,20 V/Å) untuk medan negatif jauh lebih besar dibandingkan dengan medan positif (0,64–0,72 V/Å). Struktur bentang terproyeksi (Gambar 7) mengungkapkan bahwa medan negatif mempertahankan penyesuaian tipe-II, sementara medan positif menginduksi keadaan NFEG yang dengan cepat turun dalam energi. Saat E_app ≥ E_t (≈ 0,72 V/Å), keadaan NFEG bergabung dengan VBM, menghasilkan perilaku logam. Fenomena NFEG yang diinduksi medan ini tidak ada di bawah bias negatif, menjelaskan asimetri dalam modulasi selang. Tegangan transisi untuk bilayer α‑GeTe lebih dari dua kali dari bilayer InSe, yang menunjukkan daya tahan yang lebih besar terhadap logamisasi yang diinduksi medan listrik.

Berdasarkan wawasan ini, kami mengusulkan perangkat penyimpanan data nonvolatil. Bilayer α‑GeTe ditransfer pada substrat Si/SiO₂ dan dikapsel oleh lapis SiO₂ tambahan untuk melindunginya dari degradasi lingkungan. Elektroda grafen luas area berfungsi sebagai sumber dan saluran karena transparansi dan konduktivitas mereka [31]. Dalam keadaan OFF, bilayer tetap semikonduktor dengan resistensi tinggi. Penerapan bias positif yang cukup (≥ E_t) menginduksi NFEG, menghancurkan selang dan menghasilkan keadaan ON nol resistensi yang bertahan setelah medan dihilangkan. Membalikkan bias menghapus NFEG, memulihkan keadaan OFF. Pengalihan yang dapat dibalik ini menunjukkan kelayakan bilayer α‑GeTe sebagai elemen memori berbasis transistor efek lapangan.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa bilayer α‑GeTe, yang stabil dengan interaksi vdW, menunjukkan selang tidak langsung tipe-II sebesar 0,610 eV dan serapan optik yang kuat di seluruh rentang spektral yang luas. Selang bentang dapat disesuaikan secara halus oleh regangan vertikal atau dengan menerapkan medan listrik tegak lurus; secara khusus, hanya medan positif yang menghasilkan keadaan NFEG yang menghancurkan selang. Properti ini memungkinkan transisi yang dapat dibalik dan dikontrol medan antara fase semikonduktor dan logam, membuka jalan untuk perangkat penyimpanan data berbasis bilayer α‑GeTe. Kombinasi pemisahan muatan yang efisien, serapan luas, dan NFEG yang diinduksi medan membuat bilayer α‑GeTe sebagai calon yang menarik untuk teknologi elektronik dan optoelektronik 2D generasi mendatang.

Singkatan

2D:

Dua dimensi

ALD:

Depositasi lapis atom

CBM:

Bentang konduksi minimum

DFT:

Teori fungsi kepadatan

E_app:

Kekuatan medan listrik yang diterapkan

FET:

Transistor efek lapangan

GGA-PBE:

Pendekatan gradient umum Perdew-Burke-Ernzerhof

h-BN:

Nitrida borida heksagonal

HSE06:

Fungsi hibrida Heyd-Scuseria-Ernzerhof

InSe:

Selenida indium

MXenes:

Karba dan nitrida logam transisi

NFEG:

Gas elektron bebas dekat

PAW:

Augmented wave proyektor

PDOS:

Kepadatan keadaan parsial

TMDs:

Dalkogenida logam transisi

VASP:

Paket simulasi ab initio Vienna

VBM:

Bentang valensi maksimum

vdW:

Van der Waals

VLS:

Vapor-padat-cair