밀도 함수 이론을 사용하여 알칼리 금속 흡착 그래핀형 질화갈륨(g-GaN)의 전자적 및 광학적 특성을 조사했습니다. 결과는 알칼리 금속이 흡착된 g-GaN 시스템이 육각형 고리의 중심이 가장 안정적인 흡착 부위인 안정적인 화합물임을 나타냅니다. 또한, 알칼리 금속 원자에서 호스트로 전하 이동으로 인해 g-GaN 층은 명확한 n형 도핑 거동을 보입니다. g-GaN에 대한 알칼리 금속 원자의 흡착은 화학 흡착을 통해 발생합니다. 더 중요한 것은, g-GaN의 일함수는 알칼리 금속 원자의 흡착에 따라 실질적으로 감소된다는 것입니다. 특히, Cs 흡착 g-GaN 시스템은 0.84eV의 초저 일함수를 보여 전계 방출 장치에 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 또한, 알칼리 금속 흡착은 정전기 상수를 증가시키고 g-GaN의 흡수 스펙트럼을 확장시킬 수 있습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">3차원 GaN은 기존의 반도체 재료와 비교할 때 광대역 갭 반도체 재료입니다[1]. 이와 같이 초고전압, 주파수 또는 온도에서 장비의 작동이 가능하며 높은 발광효율, 우수한 열전도도, 고온 저항성, 내산성 및 내알칼리성 및 내방사선 특성을 나타냅니다. 광전자 재료로서 3차원 GaN은 레이저 인쇄 및 고밀도 컴팩트 디스크에 잠재적으로 응용할 수 있으며 잠재적으로 컴퓨터 저장 기술에 큰 영향을 미칩니다[2]. 최근 몇 년 동안 2차원(2D) 재료는 매력적인 광학적, 기계적, 전자적, 자기적 특성과 다기능 응용 가능성으로 인해 광범위한 관심을 받았습니다[3,4,5,6,7,8,9]. 2D 물질은 벌크 물질보다 훨씬 얇으며 이러한 물질의 기계적, 전자적, 열적 및 광학적 특성은 벌크 물질과 상당히 다릅니다[10]. 특히, 2D GaN은 광전자 성능이 향상된 와이드 밴드갭 물질입니다. 아주 최근에는 마이그레이션 강화 캡슐화 성장 기술을 통해 합성되었습니다[11].
고체 표면의 원자 사이의 상호 작용을 연구하고 이해하는 것은 표면 물리학 분야의 기본적인 과학적 문제 중 하나입니다. 따라서 이러한 자기조립 구조를 제어하는 것은 나노소자 개발에 중요하다. 고체 표면에 흡착된 원자는 전자 산란 또는 기판의 탄성 왜곡을 통해 간접적으로 상호 작용할 수 있으며, 원자 자기 조립에서 중요한 역할을 하는 기판에 의해 변조된 장거리 원자 상호 작용. 알칼리 금속 원자는 쉽게 전자를 잃을 수 있기 때문에 알칼리 금속이 반도체 물질에 흡착되면 n형으로 변할 수 있으며, 이는 차례로 일함수를 감소시키고 광전자 특성을 변화시킵니다[12]. 최근 몇 년 동안 많은 연구 그룹에서 알칼리 금속 흡착 2D 재료의 광전자 특성에 대한 연구를 보고했습니다[13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]. 예를 들어, Chan et al. [13]은 그래핀에 대한 알칼리 금속 원자의 흡착을 조사하고 그래핀의 일함수 감소를 발견했다. Jinet al. [14] 및 Qiao et al. [15]는 제1원리법을 사용하여 그래핀에 알칼리 금속이 흡착되는 현상을 조사한 결과, 알칼리 금속의 흡착에 의해 그래핀의 광전자 특성이 변형됨을 발견하였다. 많은 이전 연구에서 표면 흡착이 다양한 스핀트로닉 기능으로 포스포렌 시스템을 효과적으로 기능화한다는 것을 발견한 흑색 및 청색 포스포렌에 대한 adatom 흡착의 전자적 및 자기적 특성을 조사했습니다[16,17,18]. 그러나 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 완전한 광전 특성은 아직 명확하지 않습니다.
이 기사에서는 순수한 g-GaN 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 밴드 구조, 상태 밀도, 일 함수 및 광학 특성에 대해 자세히 설명합니다. 이 연구는 g-GaN 기반 전계 방출 및 광전자 장치의 제조에 잠재적으로 중요합니다.
모든 계산은 밀도 함수 이론[24]의 첫 번째 원칙을 기반으로 하는 Vienna Ab initio Simulation Package를 사용하여 수행됩니다. 교환-상관 상호작용을 설명하기 위해 Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE) 기능[25]의 형태로 일반화된 기울기 근사(GGA)가 채택되었습니다. GGA-PBE 방법은 표면 연구에 매우 효과적인 것으로 나타났습니다[26,27,28,29]. 평면파 기본 세트의 운동 컷오프 에너지는 500eV입니다. g-GaN 평면의 수직 방향에서 진공 공간은 20Å으로 설정되었습니다. Brillouin 구역은 k 세트로 설명되었습니다. -Γ 중심 방식을 사용하여 9 × 9 × 1 그리드의 점. 모든 원자는 Hellmann-Feynman 힘이 10 − 4 미만이 될 때까지 완전히 이완됩니다. eV/Å 및 총 에너지 변화가 10 − 4 미만이 되었습니다. eV [29].
알칼리 금속 흡착 g-GaN 시스템의 흡착 에너지는 Cui et al.의 방법을 사용하여 계산되었습니다. [12] 다음 방정식에 따르면:
$$ {E}_{ads}={E}_{g- GaN\ \mathrm{X}}-{E}_{g- GaN}-{\mu}_X, $$ (1)여기서 E 광고 는 흡착 에너지, E g-GaN 및 E g-GaN:X 각각 알칼리 금속 흡착 전후의 깨끗한 g-GaN의 총 에너지를 나타내고, μX 는 단일 알칼리 금속 원자의 화학 포텐셜입니다. 이 방정식에 따라 E의 음수 값은 광고 안정적인 구조를 나타냅니다.
전하 밀도 차이는 다음과 같이 설명됩니다.
$$ \varDelta \rho ={\rho}_T-{\rho}_g-{\rho}_x, $$ (2)여기서 ρ T , ρ g , 및 ρ x 알칼리 금속 흡착 g-GaN, 순수 g-GaN 및 흡착 원자의 총 전하입니다.
그림 1은 4개의 서로 다른 흡착 사이트에 대한 g-GaN 모델을 보여줍니다. TN 사이트는 N 원자 바로 위에 있습니다. TGa 사이트는 Ga 원자 바로 위에 있으며 TB 사이트는 N-Ga 결합의 중간 위에 있고 TM 사이트는 육각형의 중심 위에 있습니다. 계산된 E 광고 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 비율은 표 1에 나와 있습니다. 모든 E 광고 다른 사이트의 는 음수이며, 이는 g-GaN에 대한 알칼리 금속 흡착 절차가 발열이고 모든 흡착 시스템이 안정적임을 보여줍니다. 이러한 결과는 알칼리 금속이 흡착된 GaN 나노와이어에서 얻은 결과와 유사하다[12]. 또한 계산된 결과는 가장 안정적인 위치가 TM임을 나타냅니다. 대지; 따라서 다음 논의는 TM에만 해당됩니다. 흡착 사이트.
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흡착 부위가 다른 g-GaN 모델
순수 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 격자 매개변수는 표 2에 나와 있습니다. 순수 g-GaN의 격자 매개변수는 3.254Å로 이전 결과와 잘 일치합니다[30,31,32,33]. 또한, Li 또는 Na 흡착 g-GaN의 격자 매개변수는 원시 g-GaN의 격자 매개변수보다 약간 작은 반면, K, Rb 및 Cs 흡착 g-GaN은 원시 g-GaN의 격자 매개변수보다 큽니다. . 흥미롭게도, 알칼리 금속 원자의 원자 번호가 커질수록 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 격자 매개변수가 증가합니다. N-X 또는 Ga-X의 결합 길이는 표 2에 나와 있습니다. N-X 또는 Ga-X의 결합 길이는 알칼리 금속 원자의 원자 번호가 증가함에 따라 증가합니다. 알칼리 금속이 흡착된 g-GaN의 흡착 높이는 Table 2와 같으며, 알칼리 금속 원자의 원자번호가 증가할수록 흡착 높이가 증가함을 알 수 있다.
순수 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 밴드 구조는 그림 2에 나와 있습니다. 그림 2a는 순수 g-GaN의 밴드 구조가 2.1eV의 밴드갭으로 반도체 특성을 나타내는 것을 명확하게 보여줍니다. 이 결과는 이전 보고서[30,31,32,33]와 잘 일치합니다. 그러나 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 밴드 구조는 그림 2b-f와 같이 페르미 준위가 전도대에 진입했음을 보여줍니다. 따라서 알칼리 금속 흡착 g-GaN 시스템은 페르미 준위에서 약 - 1.8 eV에 나타나는 갭과 함께 금속화된 특성을 특징으로 하며 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 갭은 약 1.92 eV입니다. 또한, g-GaN은 알칼리 금속이 전자를 잃는 경향으로 인해 알칼리 금속이 흡착된 후 n형 반도체로 변환되어 전도대 내부의 페르미 준위가 상향 이동합니다.
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순수 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 밴드 구조:a 깨끗한 g-GaN, b 리튬 흡착 g-GaN, c Na 흡착 g-GaN, d K-흡착 g-GaN, e Rb 흡착 g-GaN 및 f Cs 흡착 g-GaN. 페르미 준위는 녹색 점선으로 표시됩니다.
순수 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 TDOS(총 상태 밀도) 및 PDOS(부분 밀도 상태)는 그림 3에 나와 있습니다. 그림 3a에서 순수 g-GaN의 TDOS는 밴드 구조의 결과와 일치하는 반도체. PDOS 계산은 원시 g-GaN에 대한 가전자대 최대값이 이전 결과와 일치하는 N-2p 및 Ga-4p 궤도에서 비롯됨을 보여줍니다[34, 35]. 페르미 준위 근처의 전자 상태를 이해하기 위해 알칼리 금속이 흡착된 g-GaN의 PDOS를 계산했습니다. 그림 3b-f에서 볼 수 있듯이 페르미 준위 근처의 전자 상태는 주로 알칼리 금속의 Ga-4s, N-2p 및 2s 궤도에 의해 지배됩니다.
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원시 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 상태 밀도:a 깨끗한 g-GaN, b 리튬 흡착 g-GaN, c Na 흡착 g-GaN, d K-흡착 g-GaN, e Rb 흡착 g-GaN 및 f Cs 흡착 g-GaN
전하 이동은 흡착 시스템의 중요한 측면입니다. 0.002e/Å 3 등가곡면 값의 전하 밀도 차이 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 경우 그림 4에 나와 있습니다. 흥미롭게도 전자 분포는 모든 알칼리 금속 원자와 3개의 과소 배위된 N 원자 사이에 있습니다. 따라서 알칼리 금속이 흡착된 g-GaN은 화학 흡착에 의해 형성된다. 또한, 알칼리 금속 원자에 국한된 큰 시안 영역은 알칼리 금속 원자에서 g-GaN으로의 큰 전이를 시사한다. 베이더 전하 분석은 약 0.8833|e|, 0.7803|e|, 0.7997|e|, 0.7905|e|, 0.7936|e|가 있음을 보여줍니다. Li, Na, K, Rb, Cs에서 g-GaN으로의 전송. 따라서 위의 모든 결과는 알칼리 금속이 흡착된 g-GaN의 상호작용이 이온 결합이라는 그림을 확인시켜주었다.
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알칼리 금속 흡착 g-GaN의 전하 밀도 차이. 아 g-GaN/Li, b g-GaN/Na, c g-GaN/K, d g-GaN/Rb, e g-GaN/Cs. 마젠타색과 시안색 영역은 각각 전자의 이득과 손실을 나타냅니다. 등가곡면의 값은 0.002 e/Å 3 으로 설정됩니다.
일 함수는 재료의 광전자 특성 균형을 유지하는 데 중요한 요소입니다. 재료의 일함수는 페르미 준위에서 뺀 진공 준위와 같습니다. 흥미로운 가능성을 밝히기 위해 우리는 알칼리 금속 흡착에 의한 g-GaN의 일함수 조정을 연구했습니다. 그림 5는 깨끗한 g-GaN 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 일함수 개략도를 보여줍니다. 순수한 g-GaN의 일함수는 4.21eV로 GaN 나노와이어의 일함수보다 약간 큽니다[12]. 일 함수는 Li-, Na-, K-, Rb- 및 Cs-흡착 g-GaN에 대해 각각 2.47, 1.88, 1.49, 1.29, 0.84eV입니다. 따라서, g-GaN의 일함수는 알칼리 금속 원자의 흡착 후에 실질적으로 감소된다. 더욱이, 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 일함수는 알칼리 금속 흡착 GaN 나노와이어의 일함수보다 낮다[12]. 주된 이유는 GaN 단층과 나노와이어의 구조 차이 때문일 수 있습니다. 또한, 감소된 일함수는 알칼리 금속 흡착 g-GaN이 전계 방출 장치에 사용될 수 있음을 보여줍니다.
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깨끗한 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 일함수 개략도
다음으로, 우리는 g-GaN의 광학적 특성에 대한 알칼리 금속의 흡착 효과를 조사하기 위해 돌아갑니다. 재료의 광학적 특성은 실수부 ε로 나타낼 수 있습니다. 1 (ω ) 및 허수부 ε 2 (ω ) 유전 함수, 흡수 a (ω ), 굴절률 n (ω ), 반사율 R (ω ), 에너지 손실 함수 L (ω ) 및 소광 계수 스펙트럼 K (ω ), 이전에 보고된 바와 같이 [36,37,38,39,40]. 실제 부분 ε 1 (ω ) ω의 함수로 깨끗한 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 경우 그림 6a에 나와 있습니다. ε 1 (0 ) 순수 g-GaN의 1.48 및 ε 1 (0 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 )은 2.33(Li), 3.13(Na), 3.56(K), 3.81(Rb), 3.81(Cs)이다. 데이터는 ε 1 (0 ) 알칼리 금속에 흡착된 g-GaN은 원래의 g-GaN보다 더 크다. 따라서 g-GaN의 광학 특성은 매우 민감하고 조정 가능합니다. 또한 에너지가 15eV보다 크면 스펙트럼의 실수 부분에 대한 경향은 다른 알칼리 금속에 의한 흡착에 해당하는 경향과 동일합니다. 허수부 ε 2 (ω ) ω의 함수로 깨끗한 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 경우 그림 6b에 나와 있습니다. 6.18 및 10.76 eV에 위치한 두 개의 좁은 피크는 N-2p 전자가 양이온의 s 상태로 전환되는 데 기인하며 알칼리 금속 흡착 시 더 낮은 에너지 쪽으로 이동합니다. 또한 알칼리 금속 흡착 후 1.22eV에서 높은 피크가 발생합니다.
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깨끗한 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 실수부와 허수부: a 실제 부품, b 허수부
그림 7은 순수 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 흡수 계수와 굴절률을 보여줍니다. 그림 7a에서 깨끗한 g-GaN의 흡수 에지는 2.77eV에서 시작합니다. 이 흡수는 가전자대 상단에 위치한 N-2p 상태에서 빈 양이온 2 상태로 여기된 전자 전이에서 비롯됩니다. 깨끗한 g-GaN의 스펙트럼은 6.28eV와 10.95eV에 위치한 두 개의 피크를 보여줍니다. 이들 피크는 알칼리 금속 흡착 후 적색편이를 나타낸다. 또한 두 피크의 강도는 알칼리 금속 흡착 후에 감소합니다. 또한 알칼리 금속 흡착 후 1.61eV에서 새로운 피크가 나타나고 K-, Rb- 및 Cs 흡착 g-GaN 스펙트럼에서 12.46eV보다 큰 에너지에서 일부 기타 피크가 나타납니다. 이러한 결과는 알칼리 금속이 흡착된 g-GaN 물질이 흡수 스펙트럼에서 넓은 범위의 조정을 나타냄을 나타냅니다. 또한, 순수 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN에 대한 흡수 계수는 그림 1 및 2에 표시된 것처럼 허수부 및 소광 지수와 관련이 있습니다. 6b 및 8c. 그림 7b와 같이 n의 값은 (0 )는 1.22(원래), 1.53(Li), 1.78(Na), 1.89(K), 1.99(Rb) 및 1.99(Cs)입니다. n (0 ) 순수 g-GaN 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 값은 순수 GaN 나노와이어 및 알칼리 금속 흡착 GaN 나노와이어에서 얻은 값보다 약간 낮습니다[12]. 광 에너지가 증가함에 따라 순수한 g-GaN의 굴절률은 5.88 eV에서 약 1.65의 최대값에 도달하는 반면, 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 굴절률은 0.7–2에서 약 1.75–2.25의 최대값에 도달합니다. eV. 또한, 순수한 g-GaN 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 굴절률은 약 11.41eV의 최소값에 도달합니다. 마지막으로, 광 에너지가 15eV보다 클 때 굴절률은 0.91 값으로 변경되지 않고 유지됩니다.
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깨끗한 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 흡수 계수 및 굴절률:a 흡수 계수, b 굴절률
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순수 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 반사율 계수, 손실 에너지 함수 및 소광 계수:a 반사율 계수, b 손실 에너지 함수, c 소광 계수
반사율 계수 R (ω ) 순수 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 경우 그림 8a에 나와 있습니다. 강력한 반사 피크는 깨끗한 g-GaN의 경우 11.3eV에 있습니다. 그러나 피크 강도는 알칼리 금속 흡착 후에 감소합니다. 또한 저에너지 영역(0–2.5 eV)에서 새로운 반사 피크가 나타나 알칼리 금속 흡착 후 반사 스펙트럼이 확장되었음을 나타냅니다. 에너지 손실 함수 L (ω ) 깨끗한 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 경우 그림 8b에 나와 있습니다. 데이터에 따르면 깨끗한 g-GaN의 가장 두드러진 피크는 약 11.57eV에 있는 반면 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 가장 두드러진 피크는 11.12eV에 나타납니다. 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 피크 강도는 순수한 g-GaN의 피크 강도보다 낮습니다. 따라서 알칼리 금속 흡착 g-GaN에서 전자 전달에 대한 에너지 손실은 더 느립니다. 또한, 알칼리 금속이 흡착된 g-GaN은 안정한 화합물이다. 소광 계수 K (ω ) 순수 및 알칼리 금속 흡착 g-GaN이 그림 8c에 나와 있습니다. 알칼리 금속 흡착 g-GaN의 흡광 계수는 반사율 계수와 유사합니다. 따라서, g-GaN의 광학적 특성은 알칼리 금속 원자의 흡착을 통해 조정될 수 있으며, 이는 광전자 소자의 제조에 유용합니다.
밀도 함수 이론을 사용하여 알칼리 금속 흡착 g-GaN 시스템의 전자 및 광학 특성을 조사했습니다. 결과는 다음과 같이 요약됩니다. (1) 모든 알칼리 금속 흡착 g-GaN은 TM이 가장 안정적인 흡착 사이트로 다소 안정적입니다. 대지. (2) g-GaN에 대한 알칼리 금속 원자의 흡착은 화학 흡착을 통해 발생합니다. (3) n-도핑 거동은 알칼리 금속 원자의 흡착 후 g-GaN에서 찾을 수 있습니다. (4) g-GaN의 일함수는 알칼리 금속 흡착 후 상당히 감소하며, Cs 흡착 g-GaN 시스템은 0.84 eV의 최소 일함수를 나타내므로 Cs 흡착 g-GaN 시스템은 잠재적인 응용 가능성이 있습니다. 전계 방출 장치에서. (5) 알칼리 금속 흡착은 정적 유전 상수를 증가시키고 g-GaN의 흡수 스펙트럼을 확장시킬 수 있습니다. 결과적으로, 알칼리 금속의 흡착은 광전 장치를 생산하는 데 사용할 수 있는 g-GaN의 광전자 특성을 장식하고 확대하는 데 사용할 수 있습니다.
2차원
일반화된 기울기 근사
그래핀과 같은 질화갈륨
퍼듀-버크-에른처호프
상태의 부분 밀도
상태의 총 밀도
나노물질
초록 Nb 도핑된 SrSnO3 (SSNO) 박막은 LaAlO3에서 에피택셜 성장되었습니다. (001) 다양한 산소 압력 및 기판 온도 하에서 펄스 레이저 증착을 사용하는 단결정 기판. 필름의 결정 구조, 전기적 및 광학적 특성을 자세히 조사했습니다. X-선 회절 결과는 에피택셜 특성을 유지하면서 산소 압력이 증가함에 따라 필름의 셀 부피가 점진적으로 감소함을 보여줍니다. X선 광전자 분광법 분석으로 Nb5+ 확인 SSNO 필름의 산화 상태. 홀 효과 측정이 수행되었으며 780°C 기판 온도에서 0.2 Pa에서 제조된 필름은 31.
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
