1원칙 연구에서 얻은 SiAs 및 SiAs2 단분자층의 변형률 조정 가능한 밴드갭 및 높은 캐리어 이동성

결과 및 토론

이완된 독립형 2D SiAs 및 SiAs의 기하학적 구조 및 전자 밀도 분포₂ 그림 1a, b에 각각 표시되어 있으며 벌크 구조는 추가 파일 1:보충 자료의 그림 S1에 나와 있습니다. 추가 파일 1:그림 S1a 및 b에서 볼 수 있듯이 벌크 SiAs(SiAs₂ )은 C2/m(Pbam) 대칭을 가지며 3.06 Å(1.66 Å)의 거리로 반 데르 발스 힘에 의해 약하게 묶인 적층된 Si-As 층으로 구성됩니다. 단층 SiAs의 단위 셀은 마름모꼴이며 최적화된 결정 매개변수는 a입니다. ₁ =3.69Å 및 b ₁ =10.83Å, φ =99.81°. SiAs는 6개의 Si 원자와 6개의 As 원자를 포함합니다. 각 Si 원자는 4개의 가장 가까운 인접 원자(3개의 As 및 1개의 Si)를 갖는 반면, 각 As 원자는 인접 Si 원자와 3개의 공유 결합을 형성합니다. 두 종류의 결합, 즉 Si-Si 및 Si-As 결합이 존재합니다. 그리고 Si-Si 결합 길이는 약 2.35 Å이고 Si-As의 결합 길이는 2.39 Å 및 2.43 Å 범위이며 좌굴 높이는 d입니다. ₁ =4.86 Å. 단층 SiAs의 측면에서 볼 때, 안경 끈 같은 구조는 교대로 벌크된 이중 및 단일 층으로 형성됩니다. 실리콘과 비소 화합물의 또 다른 단층 구조는 SiAs₂입니다. . 프라임 셀은 4개의 Si 원자와 8개의 As 원자를 포함하며 직사각형 구조와 최적화된 결정 매개변수는 a입니다. ₂ =3.68Å 및 b ₂ =10.57 Å. 각 As 원자는 3개의 가장 가까운 이웃한 Si 원자를 가지거나 이웃한 Si 원자와 1개의 공유 결합을 형성하고 그들 자신과 2개의 공유 결합을 형성하는 반면, 각 Si 원자는 가장 가까운 이웃하는 4개의 As 원자만을 갖는다. 전자와 달리 SiAs₂ Si-Si 결합 대신 약한 As-As 결합(2.50 Å)을 소유합니다. 그리고 Si-As 결합의 범위는 2.41 Å에서 2.45 Å이고 좌굴 높이는 d입니다. ₂ =5.09 Å. 전자 밀도 분포에서 As 원자는 전기 음성도가 크기 때문에 Si 원자에서 전자를 끌어당기고 전자 밀도가 더 큽니다. 향후 실험 특성화를 지원하기 위해 벌크 및 단층 SiAs 및 SiAs의 라만 스펙트럼을 추가로 계산하고 확인했습니다.₂ . 단층과 전체 결정 사이의 명확한 이동은 추가 파일 1:보충 재료의 그림 S2에서 볼 수 있으며, 그 기원은 층 반 데르 발스 상호작용의 영향으로 확인되었습니다[42].

단층 SiAs 및 SiAs의 기하학적 구조 및 전자 밀도 분포₂ . (온라인에서 색상 지정) 단층 a의 상단 및 측면도 SiA 및 b SiAs₂ 기하학적 구조 및 전자 밀도 분포 및 관련 Brillouin 영역. 파란색 및 녹색 공은 각각 Si 및 As 원자를 나타냅니다.

SiAs(SiAs₂)의 안정성을 배우려면 ), 먼저 E로 정의된 응집 에너지를 계산했습니다. _코 =(nE _시 + 나 _으로 -이 _모노 )/(n + m ), 여기서 E _시 ,이 _으로 , 및 E _모노 단일 Si 원자, 단일 As 원자 및 단일층 SiAs(SiAs₂ )이고, n(m)은 화학식 단위에서 As(Si) 원자의 수이다. 우리의 계산에 따르면 SiAs 단층은 5.13 eV/원자의 응집 에너지를 가지며 이는 SiAs₂보다 약간 더 큽니다. 단층 4.98 eV/원자. 비교를 위해 동일한 이론적 수준에서 비소와 실리센의 응집 에너지는 각각 2.99 및 3.71 eV/원자입니다[18, 43]. SiAs 및 SiAs의 높은 응집 에너지₂ 둘 다 높은 안정성으로 강하게 결합되어 있음을 보여줍니다.

단층 SiAs 및 SiAs의 구조적 안정성을 추가로 확인하려면₂ , 우리는 또한 진동 포논 스펙트럼 계산을 수행했습니다. 그림 2a와 같이 양의 주파수는 Γ 근처의 횡방향 음향 모드를 제외한 대부분의 모드를 설명합니다. 이는 포논의 연화로 인한 것이며 다른 유사한 시스템[44, 45]에서 보고되었으며, 이는 구조가 둘 다 동적으로 안정적임을 나타냅니다. 그런 다음 실온(T =300K ), 도 2b에 제시된 바와 같이. 약간의 에너지 변동과 잘 유지된 구조는 실온에서 열적으로 안정적임을 시사합니다. 우리의 결과는 단층 SiAs 및 SiAs₂ 실온에서 실험적으로 실현될 수 있습니다.

단층 SiAs 및 SiAs의 포논 분산 곡선 및 MD 시뮬레이션₂ . 아 단층 SiA 및 SiAs에 대한 포논 분산 곡선₂ . ㄴ SiAs 및 SiAs의 실온 MD 시뮬레이션 중 총 에너지와 시간의 관계₂ . 6ps 끝에 단층 구조의 선택된 스냅샷도 제공됩니다.

단층 SiAs 및 SiAs의 최적화된 구조로₂ , 이제 우리는 전자 속성에주의를 기울입니다. SiAs 및 SiAs₂의 계산된 궤도 분해 밴드 구조 단층은 그림 3에 나와 있습니다. 우리의 계산은 SiAs와 SiAs₂ 단층은 둘 다 밴드 갭이 넓은 간접 반도체입니다. 단층 SiAs의 경우 VBM(가전자대 최대값)은 Y에 있습니다. 점, 전도 대역 최소값(CBM)은 Γ에 있습니다. (그림 3a). 단층 SiAs의 간접 밴드 갭은 E입니다. _g =PBE 방식 내에서 1.72 eV. 또한 VBM 상태가 Y임을 알 수 있습니다. 포인트는 p를 구성합니다. _와 궤도, 동안 Γ의 CBM 점은 주로 s 오비탈로 구성되며, 이는 외부 변형이 두 상태에 서로 다른 영향을 미치고 다음과 같이 간접-직접 전이로 이어질 수 있음을 의미합니다. SiAs와 달리 단층 SiAs₂ Y 측면에 VBM이 있는 거의 직접적인 반도체입니다. 점과 CBM이 약간 변위되어 있습니다(그림 3b). SiAs₂ 단층 간접 밴드 갭은 E입니다. _g =PBE 방식 내에서 1.42 eV. 그리고 SiAs₂의 VBM과 CBM 단층은 p로 구성됩니다. _와 오비탈과 s 오비탈. 보다 정확한 밴드 갭 값을 얻기 위해 SiAs 및 SiAs₂에 대한 하이브리드 기능 계산(HSE06)[46, 47]도 수행했습니다. 단층. 계산된 밴드 구조(그림 3a, b의 오른쪽 부분)에서 PBE와 HSE의 밴드 상태의 샤프는 기본적으로 동일하며 간접 밴드 갭은 하이브리드 기능 계산 내에서 여전히 예측되지만 갭 값은 SiA 및 SiAs의 경우 2.39eV 및 2.07eV로 증가₂ , 각각.

단층 SiAs 및 SiAs의 밴드 구조₂ PBE 및 HSE06에 의해 계산됨. 단층 SiAs 및 SiAs의 밴드 구조의 전자 궤도 분해₂ a로 표시됩니다. 그리고 b , 각각. 빨간 점은 를 나타냅니다. 오비탈, 파란색, 노란색 및 녹색은 p _x ,p _와 , 및 p _z , 각각. 페르미 레벨은 0으로 설정되고 점선으로 표시됩니다.

새로 발견된 2D 재료에 대한 최신 전자 장치의 잠재적 응용 프로그램의 핵심 요소인 캐리어 이동성은 CBM 및 VBM의 밴드갭 및 위치만큼 중요합니다. SiAs 및 SiAs의 전자 구조 속성에 대한 자세한 내용을 보려면₂ 단층, 우리는 실온(T =300 K ). 저에너지 체제(300 K ), 전자-음향-포논 산란은 캐리어 수송을 지배하므로 음향 포논 제한은 MoS₂와 같은 많은 2D 구조의 캐리어 이동도를 예측하는 효과적인 방법입니다. 단층 [49], 텔루렌 [19], 포스펜 [50] 및 소수층 MoO₃ [51]. 계산된 유효 질량 m ^* 및 캐리어 이동성 μ SiA 및 SiAs₂ 단층은 둘 다 흑색 포스포렌[50]과 같이 높은 이동성과 수송 이방성을 나타냅니다(추가 파일 1:표 S1 및 그림 S3 및 S4 참조). SiA 및 SiAs의 캐리어 이동성을 추정하려면₂ , 우리는 먼저 유효 캐리어 질량을 얻기 위해 거의 자유 전자 모델을 사용하여 밴드의 적합을 수행했습니다. SiA의 경우 x를 정의합니다. 그리고 y 격자 벡터 b에 수직인 방향으로 그리고 a , 각각. x 방향을 따라 \(m_{e}^{*}\) 및 \(m_{h}^{*}\) 약 0.15 m ₀ 및 0.86 m ₀ , 각각 및 y 방향을 따라 0.80 m ₀ 및 0.22 m ₀ (나 ₀ 는 자유 전자 질량)입니다. SiAs₂용 , 격자 벡터 a의 방향 x로 정의됩니다. , 반면 b y입니다. . x 방향을 따라 \(m_{e}^{*}\) 및 \(m_{h}^{*}\) 약 0.14 m ₀ 및 0.65 m ₀ , 각각 및 y 방향을 따라 2.05 m ₀ 및 1.82 m ₀ , 각각. 탄성 상수(C)와 변형 전위(E1)를 추가로 연구했습니다(추가 파일 1:그림 S2 및 S3 참조). 위에서 얻은 m ^* , C 및 E1 값을 사용하여 표 1에 나열된 캐리어 이동도를 추정했습니다. SiAs(SiAs₂의 전자 이동도 ) x를 따라 그리고 y 방향은 0.66(0.26) 및 0.54(0.11) × 10 ³ 입니다. · cm ² V ⁻¹ S ⁻¹ , x를 따라 구멍 이동도 그리고 y 방향은 3.90(0.13) 및 0.30(0.65) × 10 ³ 입니다. · cm ² V ⁻¹ S ⁻¹ , 둘 다 MoS₂보다 훨씬 높습니다. [49].

단층 SiAs 및 SiAs₂에서 Si 및 As 원자의 기본 결합 메커니즘에 대한 추가 조명 , VBM 및 CBM에 해당하는 전자 밀도 분포와 함께 PBE 기능을 사용하여 상태의 전체 및 부분 밀도(PDOS)가 각각 그림 4에 제공됩니다. As 및 Si 원자의 PDOS(그림 4a, c)가 s 그리고 p 궤도는 그들 사이의 강한 공유 결합을 나타냅니다. 단층 SiAs와 SiAs의 차이점₂ p의 현지화입니다. _z As 원자의 다른 결합 배위 환경에 기인하는 궤도. SiAs 및 SiAs 모두에서 As 원자에 국한된 고독한 쌍 전자 상태₂ 단층, 단층 구조 좌굴 형성을 결정하고 p _z 궤도 현지화 작용. 단층 SiAs에서 고독한 쌍은 Si-As 결합으로 떨어져 있어 반발 효과를 완화하고 p _z 궤도 함수. 단층 SiAs₂에서 , As-As 결합은 V족 반도체에서 매우 일반적인 상황으로 남아 p _z 더 깊은 에너지 수준의 궤도.

상태의 예상 밀도와 VBM 및 CBM의 전자 밀도. As 및 Si 원자의 예상 밀도(PDOS) 및 VBM 및 CBM에 해당하는 전자 밀도 분포(a , b ) SiA 및 (c , d ) SiAs₂ 단층. 등가곡면 값 0.034 e /Å ³

우리가 알고 있는 바와 같이, 프런티어 상태의 특성은 전도 채널의 미시적 이해에 관심이 있을 뿐만 아니라 최적의 접점 설계에 대한 큰 관심이기도 합니다.[52] 단층 SiAs 및 SiAs의 VBM 및 CBM에 해당하는 전하 밀도₂ 도 4b 및 d에 각각 제시되어 있다. VBM은 거의 Si와 As의 3p 오비탈의 혼성화인 반면, CBM은 주로 Si와 As의 3s 오비탈의 기여에 기인하며, 이는 또한 그림 4a, c의 PDOS 결과와 일치하고 밴드 구조의 전자 오비탈 분해 그림 3.

기계적 변형은 흑색 및 청색 포스포렌 및 기타 나노시트 재료의 밴드 구조를 수정하는 데 광범위하게 사용되는 2D 재료의 전자 특성을 조절하는 효과적인 방법입니다[53-55]. 특히 좌굴 구조 시스템의 경우 에너지 비용이 현저한 변형을 유발하기 위해 일반적으로 매우 작습니다. 여기에서 기계적 변형의 적용은 격자 상수와 기하학적 최적화 동안 각 원자의 내부 자유도를 변경하여 시뮬레이션됩니다. 변형률 ε ε로 정의됩니다. =(나 -나 ₀ )/나 ₀ , 여기서 l 그리고 나 ₀ 단층 SiAs 및 SiAs의 변형 및 평형 격자 상수₂ . 그림 5a, b에서 2D SiAs와 SiAs₂의 고좌굴 기하학적 구조의 상세한 변화 under strains이 각각 표시됩니다. 좌굴된 각도 θ를 변경하여 좌굴 높이가 확장되거나 축소되었음을 알 수 있습니다. ₁₍₂₎ 거의 선형 변화의 이축 압축 또는 인장 변형. 그리고 우리는 또한 그들의 높은 좌굴 기하학적 구조가 매우 큰 변형에서도 여전히 잘 유지된다는 것을 발견했습니다. 추가 파일 1:그림 S5 및 S6에 표시된 것처럼 포논 스펙트럼은 큰 변형 영역에서도 음의 주파수가 존재하지 않습니다. 단층 SiAs 및 SiAs의 갭 변화₂ 이축 압축 및 인장 변형에서 각각이 그림 5c, d에 나와 있습니다. SiAs 및 SiAs₂의 전자적 특성을 볼 수 있습니다. 스트레인에 민감하게 의존하고 특정 스트레인 영역에서 간접적으로 직접 밴드 전이를 겪은 다음 큰 스트레인 영역에서 금속으로 이동합니다.

2D SiAs 및 SiAs₂의 기하학적 구조 및 밴드 갭에 대한 변형 효과 . 아 , ㄷ SiAs를 나타냅니다. 그리고 b , d SiAs₂ 표시; M, I 및 D는 각각 금속, 간접 반도체 및 직접 반도체를 나타냅니다.

SiAs 및 SiAs의 상세한 변형₂ 밴드 구조는 Fig. 각각 6번과 7번. 이축 압축 변형에서 단층 SiAs의 좌굴 높이가 증가하고 CBM이 Γ에서 이동합니다. Y–S 라인의 한 지점으로 이동하고 다시 Y로. 압축 변형률이 ε에 도달할 때까지 VBM이 Y 지점에서 계속 유지되는 동안 =− 10% . 따라서 압축 변형률이 증가함에 따라 밴드 갭은 간접 Y에서 Γ로 전환됩니다. , 간접 Y를 통해 Y–S 라인의 한 점으로, Y를 Y로 안내하고 Γ 위의 간접 점으로 돌아갑니다. -Y line to Y, 그림 6과 같이 인장 변형률의 경우 Y에서 VBM은 Y-S 선의 한 지점으로 이동하고 CBM은 Γ에서 이동합니다. Y로 이동하고 밴드 갭은 간접적으로 유지됩니다. 큰 변형의 경우 압축 또는 인장에 관계없이 그림 5c와 같이 금속 전이가 발생합니다.

이축 변형에서 2D SiA의 밴드 구조. 페르미 레벨은 0으로 설정되고 점선으로 표시됩니다.

2D SiAs₂의 밴드 구조 이축 변형에서. 페르미 레벨은 0으로 설정되고 점선으로 표시됩니다.

그림 7에서 유사한 연구가 2D SiAs₂에 대해 수행되었습니다. . 압축 대신 8-10% 범위의 인장 변형은 직접적인 밴드 갭을 생성합니다. 단층 SiAs₂일 때 인장 변형 하에서 좌굴 높이가 감소함에 따라 확산, VBM은 Γ의 한 지점에서 이동합니다. -Y 라인에서 Γ 8–10% 범위에서 계속 유지한 다음 Γ의 한 지점으로 떨어져 이동합니다. -X 라인, CBM이 Γ의 한 지점에서 이동하는 동안 -Y 라인에서 Γ 그리고 잠시만요. 따라서 인장 변형률이 증가하면 밴드 갭이 Γ에서 간접적으로 전환됩니다. -Y 라인은 Γ를 지시합니다. – Γ 그런 다음 Γ의 간접 지점으로 돌아가 -X 라인 Γ 압축 변형률은 간접 밴드 갭을 유지합니다. 그리고 큰 변형률은 유사한 효과를 나타내므로 SiAs와 같은 금속 전이가 발생합니다.

변형된 SiA 및 SiAs의 대표적인 직접 밴드 구조₂ PBE 및 HSE 계산에 의한 추가 파일 1:그림 S7a 및 b에도 나와 있습니다. SiA의 경우 E의 직접 밴드 갭 _g =1.75 eV (HSE) VBM 및 CBM이 Y에 현지화됨 포인트는 ε의 이축 압축 변형률에서 얻습니다. =− 7.5% . SiAs와 달리 ε의 이축 인장 변형률 =8.5% SiAs₂ 유도 E의 직접 밴드에 _g =1.60 eV (HSE). 그리고 VBM과 CBM은 Γ에 있습니다. 포인트.