Rekayasa Gap Energi dalam Heterostruktur van der Waals Blue Phosphorene/GaN Seperti Grafen melalui Medan Listrik Vertikal

Abstrak

Perhitungan teori fungsi densitas dari prinsip pertama mengungkapkan bahwa heterostruktur van der Waals (vdW) blue-phosphorene/graphene-like GaN monolayer dan bilayer adalah semiconductor gap tidak langsung dengan penyelarasan gap tipe-II. Gap energi (E_g) dapat disesuaikan secara linier oleh medan listrik vertikal eksternal (E_ext), menampilkan efek Stark yang mencolok. Ketika medan melebihi nilai kritis (≈0,9 eV/Å untuk monolayer dan ≈0,7 eV/Å untuk bilayer), heterostruktur mengalami transisi semiconductor-ke-logam.

Pendahuluan

Materi dua dimensi (2D)—grafen, dikalogen logam transisi, black phosphorene, dan graphene-like GaN (g-GaN) yang baru dilaporkan—terus menarik perhatian karena properti elektronik dan optik yang luar biasa dan potensinya untuk perangkat nanoelektronik generasi depan. Blue phosphorene (blue-P), lapisan tunggal fosfor yang berkerut, telah ditanam epitaksial pada substrat Au(111) dan GaN(001), dan menawarkan gap energi yang cukup besar serta mobilitas pembawa tinggi. g-GaN, disintesis melalui pertumbuhan terkapling ditingkatkan migrasi, adalah semiconductor gap tidak langsung yang dapat diubah secara efisien oleh medan listrik eksternal. Kecocokan jaringan yang dekat (~2 %) antara blue-P dan g-GaN membuat heterostruktur vdW blue-P/g-GaN menjadi platform yang menarik untuk merancang struktur banda dan mengeksplorasi transfer muatan antar lapisan.

Meskipun studi intensif pada heterostruktur blue-P/TMDs dan blue-P/grafen, sedikit yang diketahui tentang perilaku elektronik sistem blue-P/g-GaN. Di sini kami menggunakan DFT dikoreksi vdW untuk menyelidiki struktur banda, penyelarasan gap, dan modulasi gap energi yang diinduksi medan dari heterostruktur monolayer dan bilayer blue-P/g-GaN.

Metode Komputasi

Paket CASTEP digunakan untuk melakukan perhitungan DFT gelombang datar dengan basis gelombang augmented proyektor (PAW). Efek pertukaran-korelasi diperlakukan dengan pendekatan gradien umum (PBE), dan gap energi disempurnakan menggunakan fungsi hybrid HSE06. Interaksi van der Waals disertakan melalui skema DFT-D2 Grimme. Pemotongan gelombang datar 500 eV dan jaringan titik k 7 × 7 × 1 diadop untuk optimisasi geometri; status elektron disampel dengan jaringan 21 × 21 × 1. Lapisan vakum 20 Å sepanjang sumbu c memastikan interaksi yang tidak dapat diabaikan antara citra periodik. Relaksasi struktural dilakukan hingga gaya turun di bawah 0,001 eV/Å.

Hasil dan Pembahasan

Konstanta jaringan yang dioptimalkan dari monolayer blue-P dan g-GaN adalah 3,25 Å dan 3,20 Å, masing-masing, yang menghasilkan ketidakcocokan jaringan hanya sekitar 2 %. Jarak antar lapisan seimbang adalah 3,57 Å untuk monolayer dan 3,52 Å untuk bilayer, dengan energi ikatan sekitar 49 meV—sebanding dengan sistem vdW lain seperti BP/grafen.

Perhitungan struktur banda menunjukkan gap tidak langsung sebesar 1,26 eV (GGA) dan 2,20 eV (HSE06) untuk heterostruktur monolayer, dan 1,075 eV (GGA) / 1,91 eV (HSE06) untuk bilayer. Minimum banda konduksi terletak di dekat titik M sementara maksimum banda valensi berada di K, yang mengonfirmasi penyelarasan tipe-II (staggered). Perbedaan fungsi kerja antara komposit dan blue-P murni adalah ΔE_F = –1,17 eV untuk monolayer dan –0,81 eV untuk bilayer, konsisten dengan offset banda yang diamati.

Penerapan medan eksternal vertikal (E_ext) memodulasi E_g dengan dependensi linear seperti Stark. Untuk monolayer, E_g meningkat dengan medan positif hingga 0,5 eV/Å, kemudian menyatu dan akhirnya menurun ketika medan melebihi 0,6 eV/Å, akhirnya menutup gap pada sekitar 0,9 eV/Å. Bilayer menunjukkan tren yang sama tetapi mencapai transisi semiconductor-ke-logam pada medan yang lebih rendah (≈0,7 eV/Å). Medan negatif menyebabkan penurunan linier E_g, dengan gap menghilang di sekitar –0,8 eV/Å untuk monolayer dan –0,5 eV/Å untuk bilayer.

Analisis densitas muatan mengungkapkan bahwa medan listrik memindahkan elektron dari lapisan blue-P ke lapisan g-GaN di bawah bias positif, dan sebaliknya di bawah bias negatif. Muatan yang terkumpul paling kuat pada ±0,5 eV/Å, mengonfirmasi transfer muatan yang diinduksi medan yang mendasari efek Stark.

Perhitungan padatan status yang diproyeksikan menunjukkan bahwa maksimum banda valensi didominasi oleh status g-GaN, sementara minimum banda konduksi berasal terutama dari blue-P, memperkuat penyelarasan tipe-II.

Kesimpulan

Perhitungan dari prinsip pertama menunjukkan bahwa heterostruktur vdW blue-P/g-GaN monolayer dan bilayer adalah semiconductor gap tidak langsung dengan penyelarasan gap tipe-II. Gap energi dapat disesuaikan secara linier oleh medan listrik vertikal, menampilkan efek Stark yang mencolok, dan struktur mengalami transisi semiconductor-ke-logam yang dapat dikontrol ketika medan melebihi ≈0,9 eV/Å (monolayer) atau ≈0,7 eV/Å (bilayer). Temuan ini memberikan jalur yang jelas untuk merancang perangkat optoelektronik 2D yang dapat diubah secara listrik berdasarkan heterostruktur blue-P/g-GaN.

Singkatan

2D

Dua dimensi

Blue-P

Blue phosphorene

BP

Black phosphorene

CASTEP

Cambridge Serial Total Energy Package

CBM

Minimum banda konduksi

DFT

Teori fungsi densitas

GGA

Pendekatan gradien umum

g‑GaN

Graphene-like GaN

MEEG

Pertumbuhan terkapling ditingkatkan migrasi

PAW

Gelombang augmented proyektor

PBE

Perdew‑Burke‑Ernzerhof

TMDs

Dikalogen logam transisi

VBM

Maksimum banda valensi

vdW

Van der Waals