InSe 나노리본의 전자 구조 및 I-V 특성

초록

우리는 전자 구조와 전류-전압(I-V ) 비평형 Green의 함수 방법과 결합된 밀도 함수 이론을 사용한 1차원 InSe 나노리본의 특성. 지그재그(Z), 클라인(K) 및 안락의자(A) 유형의 가장자리가 노출되거나 H-패시베이션된 나노리본이 고려됩니다. 에지 상태는 전자 속성을 결정하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌습니다. 가장자리 Z 및 K는 일반적으로 넓은 나노리본과 수소화된 대응물에서 금속성입니다. 수소화된 나노리본 HZZH에서 반도체에서 금속으로의 전이는 너비가 증가함에 따라 왼쪽과 오른쪽 가장자리 상태 사이의 에너지 차이의 강한 너비 의존성으로 인해 관찰됩니다. 그럼에도 불구하고, 다른 나노리본의 전자 구조는 매우 제한된 규모로 폭에 따라 변한다. I-V 베어 나노리본 ZZ 및 KK의 특성은 페르미 에너지 주변의 에너지 밴드에서 파동 함수의 공간적 불일치로 인해 강한 음의 차동 저항을 나타냅니다. 이러한 나노리본의 스핀 분극도 예측됩니다. 대조적으로, 베어 나노리본 AA와 수소화된 대응물 HAAH는 반도체입니다. 나노리본 AA(HAAH)의 밴드갭은 2차원 InSe 단층보다 좁고(넓음) 나노리본 폭에 따라 증가(감소)합니다.

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배경

원자적으로 얇은 2차원(2D) 재료는 고유한 전자 특성과 주로 감소된 차원에서 비롯된 유망한 응용 가능성으로 인해 지난 10년 동안 집중적인 관심을 끌었습니다. 그런 다음 1차원(1D) 나노리본은 2D 재료를 조정하거나[5] 원자를 상향식으로 정확하게 조립하여 제작할 수 있습니다[6, 7]. 나노리본에서 전자적 특성은 추가적인 구속과 가능한 에지 기능화에 의해 더 조절됩니다[8, 9]. 예를 들어, 반도체의 핵심 매개변수인 에너지 갭은 폭에 따라 지속적으로 조정될 수 있습니다[10,11,12,13,14,15]. 가장자리 원자의 댕글링 결합은 적절한 환경에서 H 원자에 의해 부동태화될 수 있으며 수소화는 구조적 재구성으로부터 가장자리를 안정화할 수 있습니다[16, 17].

최근에 InSe 단층이라는 새로운 멤버가 2D 재료에 추가되었습니다. 벌크 InSe는 층상 금속 칼코겐화물 반도체 제품군에 속하며 지난 수십 년 동안 집중적으로 연구되었습니다[18,19,20,21,22]. 각 4중층은 4개의 공유 결합 Se-In-In-Se 원자 평면으로 구성된 육각형 격자를 가지고 있습니다. 4중 층은 약 0.8nm의 층간 거리에서 반 데르 발스 상호작용에 의해 함께 쌓입니다. 스태킹 스타일은 β, γ 및 ε과 같은 폴리타입을 정의하며, 그 중 β 및 γ는 직접적인 밴드 갭을 가지고 있습니다. 그럼에도 불구하고, 단일 4중 InSe 층은 기계적 박리 방법에 의해서만 지난 몇 년 동안 성공적으로 제조되었다[23, 24]. 그 이후로 관찰된 InSe 단층의 매우 높은 전자 이동도와 특수한 물리적 특성은 광전자 장치[24,25,26] 및 전자 장치[27, 28]에서 가능한 응용에 대한 광범위한 연구를 촉발했습니다. 새로운 기능적 특성을 탐구하기 위해서는 이론적 연구도 효율적인 접근이 될 수 있습니다. InSe 단층의 구조적, 전기적, 자기적 특성과 도핑, 결함 및 흡착에 의한 변조에 대한 수치 시뮬레이션이 수행되었습니다[29,30,31,32,33,34,35,36,37,38]. 단층 및 소수층 InSe의 밴드 구조는 밀도 기능 이론에 의해 주의 깊게 연구되었습니다[29]. InSe 단층의 지배적인 고유 결함이 밝혀졌고[30], InSe 단층의 고유 결함과 치환 불순물의 특성은 형성 및 이온화 에너지의 계산에 의해 추정되었다[31]. 또한, As 원자의 치환 도핑은 InSe 단층을 비자성 반도체에서 자기 반도체/금속 또는 반-반금속으로 전달할 수 있다고 예측되었습니다[32]. InSe 단층의 열전도율은 크기에 따라 크게 조절될 수 있습니다[33]. 그러나 우리가 아는 한 InSe 단층의 1차원 나노리본의 전자적 특성에 대한 연구는 지금까지 거의 없었다.

이 논문에서 우리는 1D 베어 지그재그, 안락의자 및 Klein 단층 InSe 나노리본과 이들의 수소 부동태화 대응물의 전자적 특성에 대한 제1원칙 시뮬레이션을 수행합니다. 우리의 연구는 수소 부동태화 InSe 지그재그 나노리본에서 반도체에서 금속으로의 전환과 안락의자 나노리본에서 흥미로운 에너지 갭 변화를 나타냅니다. 전류-전압 곡선은 가장자리가 다른 나노리본의 다양한 전기적 특성을 보여줍니다.

방법

벌집 격자, 지그재그(Z), 안락의자(A) 및 Klein(K)의 세 가지 일반적인 모서리 패턴이 고려됩니다[39]. 그림 1과 같이 나노리본은 너비 숫자 n으로 식별할 수 있습니다. 및 두 모서리 유형의 조합. 베어 나노리본에는 5가지 클래스가 있습니다. n -ZZ, n -AA, n -KK, n -ZK 및 n -KZ. n -ZK는 n과 다릅니다. -KZ 왼쪽(오른쪽) Z 가장자리가 In(Se) 원자로 끝난다고 가정하기 때문입니다. 각 가장자리 원자가 하나의 수소 원자에 의해 부동태화되면 부동태화된 나노리본을 n으로 표시합니다. -HZZH, n -하아, n -HKKH, n -HZKH 및 n -HKZH, 각각. 격자 상수 4.05Å의 Se-In-Se 쿼드러플 레이어와 Se-In 레이어 거리 0.055Å 및 In-In 레이어 거리 0.186Å은 형상 최적화 전에 나노리본을 만드는 데 사용됩니다[21].

<그림>

6-HZKH(a ) 및 11-HAAH(b ) InSe 나노리본. 나노리본 너비 수 n , 너비 w _z , 및 격자 상수 c _z 또는 c _아 표시됩니다

모든 계산은 Pseudopotential 기법과 함께 DFT를 기반으로 하는 ATK(Atomistix ToolKit)를 사용하여 수행됩니다. Perdew-Zunger 매개변수화(LSDA-PZ)를 사용한 로컬 스핀 밀도 근사에서 교환 상관 함수가 채택되었습니다. 파동 함수는 기본 세트의 이중 ζ 오비탈과 하나의 편광 오비탈(DZP)을 기반으로 확장됩니다. 3000eV의 에너지 차단, k -1 × 1 × 100의 공간 메쉬 그리드와 300K의 전자 온도는 비평형 Green의 기능에 대한 실제 축 적분에 사용됩니다. 슈퍼셀의 15Å 두께의 진공 층이 x 그리고 y 방향을 설정하고 그들 사이의 결합을 억제합니다. 밴드 구조는 0.02eV/Å⁻¹ 힘 허용 오차로 전체 기하학 완화 후 계산됩니다. .

나노리본의 전자 수송 특성을 시뮬레이션하기 위해 각각을 왼쪽(오른쪽) 화학 포텐셜 μ이 있는 회로에 연결합니다. _엘 (μ _R ) [40, 41]. 그런 다음 나노리본은 왼쪽(오른쪽) 전극 L(R)과 중앙 영역 C의 세 영역으로 분할될 수 있습니다. 스핀 종속 전류는 Landauer-Büttiker 공식[42]으로 추정할 수 있습니다.

$$ {I}_{\sigma}\left({V}_b\right)=\frac{e}{h}{\int}_{-\infty}^{+\infty }{T}_{ \sigma}\left(E,{V}_b\right)\left[{f}_L\left(E-{\mu}_L\right)-{f}_R\left(E-{\mu}_R \right)\right] 데 $$

스핀 σ =↑ , ↓ 및 전압 바이어스 V _b =(μ _R − μ _엘 )/e . 여기서 $ {T}_{\sigma}\left(E,{V}_b\right)=Tr\left[{\Gamma}_L{G}_{\sigma }{\Gamma}_R{G} _{\sigma}^{\dagger}\right] $는 G의 투과 스펙트럼입니다. _σ C 및 Γ_{L 영역에서 지연된 Green의 기능} (Γ_R ) C와 L 사이의 결합 행렬(R). f _엘 (f _R )는 L(R)에 있는 전자의 페르미 분포 함수입니다.

결과 및 토론

그림 1에서 격자 상수가 c인 (a) 6-HZKH 및 (b) 11-HAAH 나노리본의 평면도와 측면도를 보여줍니다. _z =4.05 Å 및 c _아 =7.01 Å, 각각. 모서리 K는 모서리 Z와 평행한 방향을 따릅니다. 연장 방향 z 나노리본의 부분은 파란색 화살표로 표시됩니다. 그래핀 나노리본의 경우와 달리 [39], 베어 및 H 부동태화 InSe 나노리본 모두에서 세 가지 가장자리 스타일에 대해 가장자리 재구성이 관찰되지 않았으며 시뮬레이션 결과 모두 에너지적으로 안정적임을 나타냅니다.

베어 n -ZZ 나노리본은 구조가 재구성되어 반도체로 보이는 2-ZZ를 제외하고 자성 금속입니다. 그들은 그림 2a와 같이 유사한 밴드 구조를 가지고 있습니다. 피 가장자리 Se 원자의 궤도는 InSe 단층의 경우와 유사하게 페르미 에너지 근처의 상태에 대한 기여를 지배하지만 [32] In 원자의 기여는 여기에서 더 많이 관찰됩니다. 2개의 부분적으로 점유된 밴드는 4-ZZ 나노리본에 대한 Г-point Bloch 상태에서 볼 수 있듯이 각각 왼쪽 및 오른쪽 가장자리 상태에서 나온 것입니다. 그 중 하나는 스핀 분할 및 순 자기 모멘트(예:0.706μ_B)입니다. 4-ZZ 나노리본의 경우 왼쪽 가장자리의 각 기본 셀에 나타납니다.

<그림>

a의 밴드 구조 3-, 4-, 5- 및 6-ZZ 나노리본 및 b 3-, 4-, 5- 및 6-HZZH 나노리본. 페르미 에너지 근처의 Г-point Bloch 상태는 n에 대해 표시됩니다. =4. 4-HZZH 나노리본에 대해 페르미 에너지 아래 상태의 궤도가 표시됩니다.

가장자리 원자가 H 원자에 의해 부동태화되면 n -HZZH 나노리본은 n의 비자성 반도체가 됩니다. =3, 4 및 n에 대한 금속> 4(그림 2b 참조). n의 경우 구조가 불안정해집니다. =2. 4-HZZH 나노리본에서, 페르미 에너지 근처의 전도(가전자) 밴드에서 Bloch 상태는 오른쪽(왼쪽) 가장자리에 국한됩니다. 그들은 H 원자 궤도 부분을 제외하고 2D InSe 단층과 유사한 구성 요소를 가지고 있습니다. 왼쪽 에지 상태의 상위 5개 밴드는 하나의 p로 구성됩니다. _x , 두 p _y , 그리고 두 개의 p _z Se 가장자리 원자의 궤도. 오른쪽(왼쪽) 가장자리 상태의 에너지 밴드는 2D InSe 단층의 Γ-K 방향의 전도(가전자) 밴드와 유사합니다[32]. 그들의 에너지 분리는 n에 크게 의존합니다. 분산은 n에 둔감하지만 . E를 정의합니다. _d 오른쪽 에지 상태의 최소값과 왼쪽 에지 상태의 최대값 사이의 에너지 차이로 나타납니다.

그림 3에서 E _d 대 n 그리고 w _z 대략적으로 역 의존성을 발견했습니다. E _d ≈ E ₀ + 아 /(와 _z − 와 ₀ ) E ₀ =− 0.45eV, w ₀ =4Å 및 a =4eVÅ. 이러한 거동은 지그재그 그래핀과 전자-전자 상호작용의 기점이 있는 B-N 나노리본[12,13,14,15, 43,44,45,46,47]에서 에너지 갭의 폭 의존성과 유사하다. 좁은 HZZH InSe 나노리본은 반도체이며, 폭이 증가함에 따라 반도체에서 금속으로의 전이가 일어난다.

<사진>

최소 에너지 차이 E _d n의 페르미 에너지 근처의 오른쪽과 왼쪽 가장자리 상태 사이 -HZZH 나노리본은 n에 대해 표시됩니다. 그리고 w _z . 적합 곡선은 빨간색

n의 밴드 구조 -KK 및 n -HKKH 나노리본은 너비 숫자 n에 민감하지 않습니다. n에 대해 각각 그림 4a, b에 예시된 바와 같이 =4. 지그재그 에지에 비해 베어 클라인 에지는 더 많은 댕글링 본드를 가지고 있어 밴드 구조의 상당한 변화를 초래합니다. 가장자리 Se 원자의 궤도는 일반적으로 ZZ 나노리본과 유사하게 가장자리 In 원자의 궤도보다 에너지가 낮습니다. HKKH 나노리본에서 p edge In 원자의 궤도와 p H 원자의 패시베이션에 의한 가장자리 Se 원자의 궤도는 분명합니다. 그럼에도 불구하고, 하나의 H 원자는 가장자리 원자의 모든 댕글링 결합을 부동태화하기에 충분하지 않습니다. KK와 HKKH 나노리본은 모두 금속입니다.

<그림>

4-KK의 밴드 구조 및 Γ-포인트 Bloch 상태(a ), 4-HKKH(b ), 4-KZ(c ) 및 4-ZK(d ) 나노리본

지그재그와 클라인 모서리가 혼합된 나노리본에서 우리는 페르미 에너지 근처에서 두 종류의 모서리의 에너지 밴드 조합을 관찰합니다. 4-KZ 나노리본의 경우 그림 4c와 같이 밴드 c₁의 분산 및 Γ-point Bloch 상태 , c₀ , 및 c₋₁ k₁ 밴드와 동일 , k₀ 및 k₋₁ 그림 4a에 표시된 대로 4-KK 나노리본에서 밴드 c₂ 및 c₋₂ 밴드 z₁와 동일 및 z₋₂ 그림 2a의 4-ZZ 나노리본. 유사하게, 4-ZK 나노리본의 밴드 구조는 그림 4d와 같이 밴드 d₁로 구성된다. 오른쪽 Klein 가장자리 및 밴드 d₂에서 , d₀ , 및 d₋₁ 왼쪽 지그재그 가장자리에서. n 이후 -ZK 및 n-KZ 나노리본은 n의 에너지 밴드의 일부를 유지합니다. -KK 나노리본은 페르미 에너지 근처에 있으며, 둘 다 n과 같은 금속입니다. -KK 나노리본. 같은 이유로 모서리 Z와 K를 혼합하는 H 부동태화 나노리본도 금속입니다.

AA 및 HAAH 나노리본은 모두 n에 대한 밴드 구조가 표시된 그림 5a, b와 같이 비자성 반도체입니다. =4, 5. H 원자의 패시베이션은 구조적 안정성을 에너지적으로 향상시키고 에너지 갭을 확대할 수 있습니다. 흥미롭게도 에너지 갭은 나노리본 폭에 지그재그로 의존하여 그래핀 및 BN 나노리본에서와 같이 홀수-짝수 패밀리와 같은 거동을 보입니다. 47]. 그림 5c와 같이 n -AA 나노리본은 2D InSe 단층(빨간색 대시)보다 좁은 간격(올리브 사각형)을 가지고 있습니다. 간격은 홀수(짝수) n의 너비에 따라 단조롭게 증가(감소)합니다. 두 모서리가 서로 분리되고 에너지가 안정될 때 큰 폭 한계에서 1.15eV의 값으로 수렴합니다[13]. Г 지점에서 가전자대 최대값(VBM)과 Z 지점에서 전도대 최소값(CBM)의 Bloch 상태도 그림 5c에 나와 있습니다. 패리티 동작은 대칭(n =5) 또는 대각선(n =4, 6) VBM에서 가장자리 Se 원자 주변 및 CBM에서 가장자리 In 원자 주변 상태 분포.

<그림>

4- 및 5-AA 나노리본의 밴드 구조는 a에 나와 있습니다. b의 4- 및 5-HAAH . 에너지 격차 E n의 g -AA(녹색) 및 n -HAAH(파란색) 나노리본은 n에 대해 표시됩니다. c에서 InSe 단층(빨간색)의 간격이 표시됩니다. n에 대한 CBM 및 VBM의 Bloch 상태 =4, 5, 6은 c의 오른쪽 패널에 표시됩니다.

반면에 n의 간격은 -HAAH 나노리본(파란색 원)은 2D보다 넓고 홀수 및 짝수 n의 너비에 따라 감소합니다. . 부동태화된 나노리본에서 VBM 및 CBM의 Bloch 상태는 훨씬 적은 가장자리 구성요소를 갖습니다. 상응하는 에너지 갭은 베어 나노리본보다 약 1eV 더 넓고, 그 차이는 너비가 증가함에 따라 감소합니다[13].

그림 6a에서 전류-전압(I -V ) 상기 금속성 InSe 나노리본 4-ZZ(사각형), 4-KK(원) 및 4-HKKH(삼각형)의 특성. 스핀업(스핀다운) 곡선은 채워진(빈) 기호로 표시됩니다. Landauer-Büttiker 공식은 스핀 종속 전류 I를 계산하는 데 사용되었습니다. _σ 전압 바이어스 V일 때 _b μ로 전극 L과 R 사이에 적용 _R =eV _b /2 및 μ _엘 =− eV _b /2 가정합니다. 음의 차동 저항(NDR)과 스핀 분극은 0.5~1.2V 영역의 바이어스에서 4-ZZ 및 4-KK 베어 나노리본에서 관찰됩니다. NDR의 피크 대 밸리 비율은 4-ZZ의 경우 10보다 큽니다. ZZ 나노리본은 그림 2a와 같이 페르미 에너지 근처의 에너지 밴드 사이의 파동 함수의 횡방향 불일치로 인한 것이며 다음에서 설명합니다. 밴드 z₁ V에서 지배적인 전송 채널입니다. _b <1.2V는 각각 그림 6b, c의 스핀업 및 스핀다운 투과 스펙트럼으로 표시됩니다. 그러나 대역 z₁의 파동 함수는 인접 밴드 z₂의 밴드와 직교하거나 공간적으로 분리되어 있습니다. , z₋₁ , 및 z₋₂ . 이는 상태 z₁ 사이의 불일치로 이어집니다. V 아래의 한 전극과 다른 전극의 동일한 에너지 _b . 밴드 z₁의 전자 한 전극에서 에너지를 보존하면서 다른 전극으로 이동하는 데 어려움이 있습니다. 결과적으로 I-V 나노리본 4-ZZ의 곡선은 NDR이 강한 단일 밴드 특성을 보여줍니다. 또한 밴드 z₀의 스핀 분할 선형 체제에서 스핀 분극으로 이어집니다. 그러나 패시베이션된 4-HKKH 나노리본에서 전류는 위의 NDR 바이어스 영역에서 포화됩니다.

<그림>

아 스핀업(채워짐) 및 스핀다운(비어 있음) I -V 4-ZZ(사각형), 4-KK(원) 및 4-HKKH(삼각형) InSe 나노리본의 특성이 제시됩니다. 스핀업의 해당 투과 스펙트럼(b ) 및 스핀다운(c ) 4-ZZ 나노리본에 대해 표시됩니다. μ 사이의 전송 창 _엘 그리고 μ _R 흰색 선으로 표시됩니다.

결론

우리는 Z, A 또는 K 가장자리를 가진 InSe 나노리본의 전자적 특성을 체계적으로 조사했습니다. 페르미 에너지 근처의 전자 상태는 가장자리 원자 궤도의 무게가 크기 때문에 가장자리는 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 베어 Z 및 K 가장자리는 전도성 및 자성입니다. 강력한 edge-edge 상호 작용은 n의 전환으로 이어질 수 있습니다. - n으로 반도체에서 금속으로 HZZH 나노리본 증가합니다. 결과적으로 Z 및 K 가장자리가 있는 노출된 H-패시베이션 나노리본은 매우 좁은 것을 제외하고는 금속입니다. n -AA 및 n -HAAH는 InSe 단층보다 에너지 갭이 각각 좁고 넓은 비자성 반도체입니다. 그들의 간격은 n과 같이 지그재그 방식으로 서로 접근합니다. 증가하여 짝수 홀수 행동을 보입니다. ZZ 및 KK 나노리본의 전류-전압 곡선은 강한 단일 밴드 NDR 및 스핀 분극화를 특징으로 합니다.

약어

1D:: 1차원
2D:: 2차원
A:: 안락의자
CBM:: 전도 대역 최소
케이:: 클라인
VBM:: 가전자대 최대값
Z:: 지그재그

물-데칸-이산화규소 시스템의 오일 접촉각:표면 전하의 영향 자성 금 나노입자 표지 헤파라나제 단클론항체 및 종양 자기 공명 영상의 후속 응용

나노물질