우리는 첫 번째 원리 계산을 사용하여 가스 단층의 전기장 종속 광학 특성과 전자 거동을 조사합니다. E//c에서 E⊥c 이방성으로의 쌍극자 전이의 역전은 약 5V/nm의 임계 외부 전기장에서 발견됩니다. 분해된 투영된 밴드 기여는 외부 전기장 아래에서 GaS 중간층에서 비대칭 전자 구조를 나타내며, 이는 흡수 선호도의 진화를 설명합니다. 부분 전하의 공간 분포와 전하 밀도 차이는 GaS ML에서 현저하게 역전된 광학 이방성이 외부 전기장에서 비롯된 추가 결정장과 밀접하게 연결되어 있음을 보여줍니다. 이러한 결과는 실험적 연구를 위한 기반을 마련하고 단층 가스 기반 2차원 전자 및 광전자 소자의 응용에 대한 새로운 관점을 제공합니다.
<섹션 데이터-제목="배경">전형적인 2차원(2D) 재료로서 그래핀은 다소 독특하고 탁월한 특성을 가지고 있어[1], 트랜지스터 및 전기화학 전극[2]에서 우수한 성능을 가능하게 합니다. 그럼에도 불구하고, 나노전자 장치에 사용하기 위해 고유 밴드 갭[3]의 부족은 본질적으로 전통적인 발광 장치에서의 응용을 제한합니다. 표면 기능화 및 외부 전기장 또는 변형장을 사용하더라도 매우 작은 밴드 갭을 달성할 수 있습니다[4,5,6,7]. 이러한 맥락에서 특정 속성 및 응용 분야에 대한 새로운 기회를 제공할 수 있는 다른 2D 재료의 검색은 근본적인 관심과 기술적 중요성 모두입니다.
최근 안정한 2차원 금속 디칼코게나이드(MD) 물질인 GaX(X =S, Se)는 이색적인 물리적, 화학적 특성으로 인해 많은 관심을 받고 있으며, 태양 에너지 변환 및 광전자공학과 같은 분야에서의 응용 가능성이 높습니다. [8,9,10,11]. 층 GaX는 D3h를 갖는 X-Ga-Ga-X의 순서로 공유 결합된 4개의 원자 평면으로 구성됩니다. 대칭. 고급 응용 분야에는 외부 제어 매개변수에 의해 의도적으로 변조될 수 있는 조정 가능하고 가역적인 전자 특성을 가진 재료가 필요한 경우가 많습니다. 변형 공학은 GaS 단층(ML) 및 기타 2D 재료의 전자 거동과 전자 에너지 저손실 스펙트럼을 조정하는 유망한 경로 중 하나로 확인되었습니다[12]. 대안으로, 적용된 전기장 또는 빛은 넓은 범위에 걸쳐 전자 특성을 수정하는 새로운 방법을 제공합니다[13, 14]. 예를 들어, 이중층 그래핀의 평면에 수직인 강한 전기장은 상당한 밴드 갭을 유도할 수 있고[15, 16], 밴드 갭은 2개 이상의 층을 가진 BN에 대해서도 변조될 수 있습니다[17]. 그러나 2D GaS ML의 전자 구조에 대한 외부 전기장의 영향은 여전히 불분명합니다. 또한, GaS ML에 존재하는 고유의 큰 음의 결정 필드는 E⊥c에 대한 흡수 계수가 약 10 3 인 광학 이방성을 초래합니다. cm −1 , E//c보다 30배 작습니다[18]. 광학 재료의 경우 발광 편광은 전도대의 하단과 가전자대의 상단 사이에서 발생하는 니어 밴드 에지 전이와 밀접한 관련이 있습니다. 외부 전기장을 사용함으로써 GaS ML의 밴드 구조와 광학 특성을 편리하게 변조하여 장치 응용 분야의 다양한 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
이 문제를 해결하기 위해 우리는 GaS ML에서 광학 및 전자 이방성의 변조에 대한 이론적 예측을 수행합니다. E⊥c 및 E//c 방향 모두에 대한 광 흡수 스펙트럼은 다양한 외부 전기장에서 계산됩니다. 밴드 구조와 궤도 기여도는 외부 전기장에 대한 쌍극자 전이의 의존성을 설명하기 위해 분석됩니다. 수직 외부 전기장에 의해 유도된 층간 결합 및 비대칭 전자 구조를 보여주고 GaS ML의 광학 및 전자 이방성의 변조를 위한 물리적 메커니즘을 나타내는 부분 전하 및 전하 밀도 차이의 공간 분포가 추가로 시뮬레이션됩니다. 현재의 결과는 2D 가스 물질을 기반으로 하는 조정 가능한 전자 및 광전자 장치에 대한 이론적 지침을 제공하는 데 유용합니다.
우리는 프로젝터-증강파 유사전위 방법[20]을 사용하여 비엔나 Ab-initio 시뮬레이션 패키지(VASP) 코드[19]로 밀도 기능 이론(DFT) 계산을 수행합니다. 교환 및 상관 효과는 Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE) GGA(generalized gradient approximation)에 의해 처리됩니다[21]. Heyd-Scuseria-Ernzerhof(HSE) 하이브리드 기능은 밴드 갭의 정량적 추정치를 제공하는 데 사용됩니다[22]. S-Ga-Ga-S의 순서로 4개의 원자층으로 구성된 GaS의 슬랩 모델을 사용하고 슬래브 간의 상호 작용을 제거하기 위해 z 방향을 따라 15Å 진공층을 채택했습니다. Brillouin 구역은 Monkhorst-Pack 방법[23]에 따라 샘플링됩니다. 27 × 27 × 1 k -point mesh는 단층 GaS를 이완시키는 데 사용되며, 파동함수를 평면파 기반으로 확장하기 위해 450eV의 차단 에너지를 사용합니다. 에너지 수렴은 10 -5 으로 선택됩니다. 두 단계 사이의 eV와 각 원자에 작용하는 최대 Hellmann-Feyman 힘은 이온 이완 시 0.01eV/Å 미만입니다. Gaussian smearing은 각 파동 함수에 대해 부분 점유를 설정하는 방법을 설명하는 데 사용되며 smearing의 너비는 0.1eV입니다. 방향 대역 간 전이로 인한 유전 함수의 허수 부분은 페르미 황금률을 사용하여 구합니다[24]. 계산하는 동안 전자 및 광학 특성에 미치는 영향이 미미하기 때문에 SOC(스핀-궤도 결합) 분할은 무시됩니다.
GaS ML의 완전히 이완된 기하학적 구성은 그림 1a, b에 나와 있습니다. 단층 두께는 4.66Å으로 계산되었으며 평면 돌출부는 그래핀과 유사한 이상적인 육각형 벌집 구조를 나타냅니다. 격자 상수 a 층간 상호작용이 없기 때문에 벌크 재료보다 약간 큰 3.64 Å입니다[25]. S-Ga와 Ga-Ga의 결합 길이는 각각 2.37 Å과 2.48 Å이고 가장 가까운 S 원자 사이의 S-Ga-S 각은 약 100.34°로 이전 연구와 매우 일치합니다[12]. 편의상 상단 및 하단 중간 원자는 Y (1) 로 표시됩니다. (Y =Ga, S) 및 Y (2) (Y =Ga, S), 각각.
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아 상단 및 b 가스 ML의 원자 구성의 측면도. 큰 녹색 및 작은 노란색 구체 각각 Ga 및 S 원자를 나타내며, 상부 및 하부 층간 원자는 Y (1) 로 표시됩니다. (Y =Ga, S) 및 Y (2) , 각각
GaS ML의 광학적 특성을 변조하기 위해 다른 외부 전기장을 갖는 광학 흡수 스펙트럼이 계산됩니다. 인가된 전기장의 방향은 +z 방향을 따른다. 그림 2와 같이 비정상광(TM light; E //c ) 및 일반 조명(TE 조명, E ⊥ㄷ ) 가스 ML에서 광학 이방성을 드러내는 매우 다릅니다. TM 및 TE 광의 흡수 가장자리는 각각 빨간색과 녹색 파선으로 표시됩니다. 외부 전기장이 없을 때 TM 광과 TE 광 사이의 흡수단 에너지 차이는 약 0.55 eV입니다(그림 2a 참조). 외부 전기장이 가해지면 양쪽 흡수단이 더 낮은 에너지로 이동하고 흡수단의 에너지 차이가 감소합니다. E에서 쌍극자 전환의 반전 //c E로 ⊥ㄷ 이방성은 약 5V/nm의 임계 외부 전기장에서 발생합니다. 전기장이 8V/nm로 추가로 증가함에 따라 TE 광의 흡수 에지는 TM 광의 흡수 에지보다 훨씬 낮습니다. 이러한 결과는 GaS ML의 광학 이방성이 수직 외부 전기장에 의해 변조될 수 있음을 나타냅니다.
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GaS ML a의 계산된 광 흡수 스펙트럼 외부 전기장 없이 b –d 각각 4, 5, 8 V/nm의 외부 전기장을 가집니다. 흡수 가장자리가 표시됩니다. 빨간색 및 녹색 선 각각 TM 및 TE 조명을 나타냅니다.
GaS ML에서 광학 이방성에 대한 외부 전기장의 영향에 대한 통찰력을 얻기 위해 외부 전기장의 차이가 있거나 없는 밴드 구조가 시뮬레이션됩니다. 도 3a에 도시된 바와 같이, GaS ML의 전도대 최소값(CBM)은 Γ 지점에 위치하는 반면, 원자가 대역 최대값(VBM)은 Γ와 K 사이의 위치에 위치한다. 간접적인 밴드갭을 나타내는 포인트. DFT와 하이브리드 방식으로 계산된 밴드갭은 각각 2.35 eV와 3.46 eV로 이전 결과와 일치한다[12, 26]. 흥미롭게도, 그림 3b–d와 같이 외부 전기장 E가 있는 경우 E가 임계값(약 5V/nm)을 넘어서면 VBM이 Γ 지점으로 전환되는 반면 CBM은 여전히 Γ에 위치합니다. 가리키다. 이것은 외부 전기장 하에서 GaS ML의 간접적인 밴드갭 전환을 나타냅니다. 또한, 도 3e에 도시된 바와 같이, 에너지 갭은 외부 전기장의 증가에 따라 단조 감소한다. 밴드갭 수정은 h에 대한 이전 연구에서 관찰된 잘 알려진 Stark 효과에서 발생합니다. -BN [27] 및 MoS2 [28]. 외부 전기장이 가해지면 두 중간층 사이에 전위차가 있으며(그림 1b 참조), 이는 U로 설명될 수 있습니다. =−데 * 이 , 여기서 d 는 층간 거리이며 E * 차폐된 전기장이다. 외부 전기장은 하부 중간층의 전위를 상승시키고 상부 중간층의 전위를 감소시켜 VBM의 리프팅 및 에너지 밴드 갭의 추가 감소를 초래합니다. 더 강한 외부 전기장은 두 중간층 사이의 더 큰 차이로 이어지며, 따라서 더 큰 밴드 분할과 더 작은 밴드갭으로 이어집니다.
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가스 ML a의 밴드 구조 외부 전기장 없이 b –d 각각 4, 5, 8 V/nm의 외부 전기장을 가집니다. 점선 0으로 설정된 페르미 준위를 나타냅니다. 이 GaS ML의 외부 전기장에 따른 에너지 갭의 변화
GaS ML의 광학적 이방성의 진화 메커니즘을 밝히기 위해 전기장이 있는 경우와 없는 경우 분해된 투영 밴드 구조가 그림 4와 같이 추가로 계산됩니다. 전기장이 없는 원래 GaS ML의 경우 CBM과 VBM은 다음과 같습니다. 주로 교잡된 그리고 p z Ga 원자의 상태와 p z VBM 아래의 다음 4개의 원자가 밴드는 주로 평면 내 p x + p 와 S 원자의 통계. 8 V/nm의 외부 전계가 인가될 때, 상부 및 하부 Ga-S 층은 대역 구조에 비대칭 기여를 나타낸다. CBM은 주로 두 s가 차지합니다. 그리고 p z 상부 Ga (1) 의 궤도 성분 S (1) 레이어이지만 p만 z 낮은 Ga의 상태 (2) S (2) 층. 전도대의 층간 결합 상태와 비교할 때, 가전자대의 면내 상태는 수직 외부 전기장에 훨씬 더 민감합니다. p x + p y 상위 Ga (1) 상태 S (1) 낮은 Ga (2) S (2) 층은 각각 더 낮은 에너지와 더 높은 에너지를 가지고 있으며 Γ 지점에서의 에너지 차이는 약 3.05 eV입니다. 이것은 외부 전기장이 가스 중간층에서 비대칭 전자 구조를 유도한다는 것을 나타냅니다. 향상된 p x + p y 낮은 Ga의 상태 (1) S (1) 레이어가 p를 능가합니다. z S 원자의 상태가 되고 Γ와 K 사이의 원래 지점에서 Γ 지점으로 VBM이 교체되는 최상위 원자가 밴드가 됩니다. VBM의 이러한 변화는 E에서 쌍극자 전이의 진화를 초래합니다. //c E로 ⊥ㄷ E의 흡수가 위의 예측을 설명하는 선호도 ⊥ㄷ 수직 외부 전기장과 함께 점차적으로 증가하고 E를 초과합니다. //c 약 5 V/nm의 임계 외부 전기장에서.
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GaS ML의 분해된 투영 밴드 구조. 상단 패널은 s(a ), px + py (b ) 및 pz (ㄷ ) 외부 전기장이 없는 궤도; 중간 및 마지막 패널은 s(d , 지 ), 피 x + p y (이 , h ) 및 p z (f , 나 ) 각각 8 V/nm의 외부 전기장으로 GaS의 상부 및 하부 중간층에서 궤도
GaS ML의 CBM 및 VBM에서 부분 전하의 공간 분포는 각각 그림 5a, b에 표시된 것처럼 8V/nm의 외부 전기장이 없을 때와 없을 때 추가로 계산됩니다. 두 경우의 CBM에는 s가 있습니다. - 구형의 S 원자 주위에 단단히 국한된 상태 특성. 낮은 전기장(0~5 V/nm)에서 VBM은 p z z 방향에 평행한 덤벨 모양으로 분포하는 상태. 외부 전기장이 임계값 이상으로 증가함에 따라 VBM은 p x 그리고 p 와 z 방향에 수직인 또 다른 덤벨 모양을 나타내는 구성 요소. VB 순서에 따라 패리티 선택 규칙이 적용됩니다. xy에서 대역간 전환 편광은 동일한 패리티를 가진 상태에만 허용되는 반면 z-편광 아래에 있는 것은 반대 패리티를 가진 상태에 대해 고유합니다. 따라서 0 ~ 5 V/nm의 외부 전기장에서 GaS의 가장 낮은 전이 CBM-VBM은 TM 편광(E //c ), 외부 전기장이 5V/nm보다 크면 가장 낮은 전이 CBM-VBM이 TE 편광(E ⊥ㄷ ) 오직. 이 현상은 수직 전기장에서 전자 및 광학 이방성의 변조를 나타냅니다. 반대 광학 이방성의 기원은 그림 5c, d에 표시된 전하 밀도 차이에 의해 입증된 바와 같이 전기장에 의해 유도된 추가 결정장으로 거슬러 올라갈 수 있습니다. 외부 전기장이 없으면 전자는 Ga-S 및 Ga-Ga 결합 영역에 축적되어 각각 이온 결합과 공유 결합을 형성하는 것으로 관찰됩니다. 외부 전기장을 인가하면 S 원자 주위에 점점 더 많은 전자가 축적되는 경향이 있는 반면 상위 및 하위 Ga 원자 사이에는 점점 더 적은 전자가 분포됩니다. 이것은 외부 전기장이 GaS의 상부 및 하부 중간층 사이의 상호 작용을 감소시키고 각 중간층 내의 S 및 Ga 원자 사이의 상호 작용을 향상시킨다는 것을 의미합니다. 결과적으로, 전자 수송 채널은 그림 5d의 8V/nm와 같이 5V/nm의 전기장 위에 생성됩니다. 위의 분석은 GaS ML에서 현저하게 반전된 광학 이방성이 적용된 외부 전기장에서 비롯된 추가 비대칭 결정 필드와 밀접하게 연결되어 있음을 나타냅니다.
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(a가 없는 GaS ML의 CBM 및 VBM 상태의 부분 밀도 ) 및 (b 포함 ) 각각 8 V/nm의 외부 전기장. 공간 전하 밀도 차이와 (c가 없는 GaS ML의 (1-100) 평면에 따른 수직 단면 ) 및 (d 포함 ) 각각 8 V/nm의 외부 전기장. 양수 및 음수 밀도(윤곽선)는 각각 노란색으로 표시됩니다. (실선 ) 및 파란색 (점선 ) 색상이고 등고선 간격은 0.005eÅ −3 입니다.
요약하면, 첫 번째 원칙 DFT 시뮬레이션을 기반으로 GaS ML의 전기장 종속 광학 특성 및 전자 거동을 조사합니다. E 모두에 대한 광 흡수 스펙트럼 ⊥ㄷ 및 E //c 방향은 다양한 외부 전기장에서 계산됩니다. E에서 쌍극자 전환의 반전 //c E로 ⊥ㄷ 이방성은 약 5V/nm의 임계 외부 전기장에서 발견됩니다. 밴드 구조 계산은 증가하는 외부 수직 전기장과 함께 GaS ML에서 밴드 갭의 감소와 간접 밴드갭에서 직접 밴드갭으로의 전환을 나타냅니다. 분해된 투영 밴드 기여는 외부 전기장 아래에서 GaS 중간층의 비대칭 전자 구조를 나타내며, 이는 흡수 선호도의 진화를 설명합니다. 부분 전하의 공간 분포와 전하 밀도 차이는 GaS ML에서 현저하게 반전된 광학 이방성이 외부 전기장에서 비롯된 추가 결정 필드와 밀접하게 연결되어 있음을 시사합니다. 이러한 결과는 외부 전기장에 의한 GaS ML의 전자 구조 및 광학적 특성의 변조를 나타낼 뿐만 아니라 2D 전자 및 광전자 장치에서의 향후 응용에 대한 몇 가지 참고 자료를 제공합니다.
나노물질
초록 큰 작업 기능으로 인해 MoOX 박막과 결정질 실리콘 태양전지 모두에서 정공선택적 접촉에 널리 사용되어 왔다. 이 작업에서 열증발 MoOX 필름은 p의 뒷면에 사용됩니다. -유형 결정질 실리콘(p -Si) 태양 전지, 여기서 MoOX의 광학 및 전자 특성 필름 및 해당 장치 성능은 어닐링 후 처리의 기능으로 조사됩니다. MoOX 100°C에서 열처리된 필름은 가장 높은 일함수를 나타내며 에너지 밴드 시뮬레이션 및 접촉 저항 측정 결과를 기반으로 최고의 홀 선택성을 입증합니다. 전체 후면 p -Si/MoOX /Ag 접촉 태양전
초록 본 연구에서는 다양한 wt. 비스무트(Bi)의 비율(2.5, 5, 7.5 및 10)은 열수 기술을 사용하여 도펀트로 통합되었습니다. 우리의 발견은 광학 조사가 근자외선 영역에서 흡수 스펙트럼을 보여주었다는 것을 보여줍니다. 밀도 기능 이론 계산은 Bi 도핑이 페르미 준위 주변에 새로운 국부적 갭 상태를 유도함으로써 BN 나노시트의 전자 구조에 다양한 수정을 가져왔다는 것을 나타냅니다. Bi 도펀트 농도가 증가함에 따라 밴드갭 에너지가 감소함을 알 수 있었다. 따라서 계산된 흡수 스펙트럼 분석에서 흡수 가장자리에서 적색 편이가
