나노물질
산업 제조
수직 전기장을 갖는 단층 InSe의 전자 구조를 조사합니다. 전계 강도가 지속적으로 증가함에 따라 단층 InSe에서 간접-직접-간접 밴드 갭 전이가 발견됩니다. 한편, 글로벌 밴드 갭은 점차적으로 0으로 억제되어 반도체-금속 변형이 발생함을 나타냅니다. 기본 메커니즘은 에너지 밴드에 대한 궤도 기여도와 밴드 가장자리의 진화를 모두 분석하여 밝혀졌습니다. 이러한 발견은 층상 III-VI족 반도체의 전자적 특성에 대한 더 깊은 이해를 촉진할 뿐만 아니라 광전자 장치 설계에 유용한 지침을 제공할 수 있습니다.
단층 흑연, 즉 그래핀[1, 2]의 실험적 구현에 대한 선구적인 작업 이후, 원자적으로 얇은 2차원(2D) 재료가 많은 관심을 받아왔습니다[3, 4]. silicene[5-7], Germanane[8], black phosphorus[9, 10], transition metal dichalcogenides(TMD)[11-13], hexagonal boron nitride[14]를 포함한 다양한 단층 2D 재료가 이론적으로 예측되거나 실험적으로 발견되었습니다. -16]. 이러한 원자적으로 얇은 2D 물질은 유사한 벌집형 격자 구조를 가지고 있지만 금속[1, 2, 5-8], 반도체[9-13] 및 절연체[14-16]를 포함하여 전자 구조와 전도성 특성이 상당히 다릅니다. 따라서 전자 특성에 따라 이러한 단일 레이어 2D 재료는 다기능 전자 및 광학 장치 설계에 응용할 수 있습니다[3, 4]. 예를 들어, Si-그래핀 메타물질[17], Cu-그래핀 메타물질[18] 및 MoS2를 기반으로 하는 고품질 계수를 가진 조정 가능한 광학 장치 -SiO2 -Si 도파관 구조[19]가 제안됩니다. 강자성 그래핀[20], Rashba 스핀-궤도 커플링 및 자기 장벽이 있는 변형 그래핀[21], 전기장을 갖는 변형 실리신을 기반으로 한 완벽한 밸리 또는/및 스핀 분극 장치[22, 23]가 제안되었습니다. 또한, SF6의 분해 요소들 간의 상호작용 효과 N-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브[24], Pt3를 포함한 다양한 재료 -TiO2 (1 0 1) 표면 [25], Ni 도핑된 MoS2 단층[26] 및 Pd(111) 표면[27]은 밀도 기능 이론(DFT)을 사용하여 조사됩니다.
III-VI족 화합물 MX(M =Ga, In 및 X =S, Se, Te)는 또 다른 계층화된 2D 재료 계열입니다. 고유한 전기적 특성으로 인해 이러한 재료는 많은 연구자의 관심을 끌었습니다[28]. DFT[29-33] 및 긴밀한 결합 모델[34] 계산에 따르면 적층 MX의 에너지 밴드 갭은 두께에 따라 달라지며, 레이어 수가 감소함에 따라 1.3 eV에서 3.0 eV로 증가합니다. 동시에, 계층화된 흑린[9, 10] 및 TMD[11-13]의 거동과 반대인 직접-간접 밴드 갭 전이가 관찰됩니다. 계층화된 MX의 이 상당한 에너지 밴드 갭 변조는 광전자 장치를 설계하는 데 사용될 수 있습니다[35, 36]. 또한, 산소결함이 도핑된 InSe의 안정성을 조사한 결과 공기 중 흑린보다 더 안정적인 것으로 밝혀졌다[37]. InSe 단층의 자성은 As[38], C 및 F[39]를 흡착하여 조정할 수 있습니다. 깨진 거울 대칭으로 인해 이중층 InSe에서 거대한 스핀 전하 변환 효과가 발견됩니다[40]. 또한, 단층 InSe 나노리본의 전자 구조와 전류-전압 특성은 에지 상태에 크게 의존한다[41]. 반면에, 실험적 연구는 MX의 층 의존적 전자 구조를 확인하고 가시광선 및 근적외선 영역에 걸쳐 있는 빛에 반응할 수 있습니다[42-45]. 또한 MX의 캐리어 이동도가 높아 전계 효과 트랜지스터를 설계하는 데 사용할 수 있습니다. 벌크 GaS 및 GaSe의 경우 캐리어 이동도는 약 80 및 215cm 2 입니다. V −1 S −1 [46] 각각. 단층 InSe의 경우 캐리어 이동도는 최대 거의 10 3 입니다. cm 2 V −1 S −1 [47]. 더욱이, 층상 InSe의 밴드 갭은 광발광 스펙트럼으로 식별되는 단축 인장 변형에 의해 조작될 수 있습니다[48].
광전자소자 설계의 관점에서 볼 때, 직접 밴드갭 반도체에 기반한 소자의 효율은 간접 대역갭 반도체에 기반한 소자보다 더 우수하다. 따라서 간접 밴드 갭 소수 계층 MX를 직접 밴드 갭 유형으로 변환하는 것은 과학 커뮤니티의 과제입니다. 아주 최근에 밴드 갭 조작과 간접-직접 밴드 갭 전이가 단축 변형에 의해 단층 InSe에서 발견되었습니다[49]. 또한 2차원 n-InSe와 p-GeSe(SnS)를 적층하여 직접 밴드갭 반도체를 얻었다. 그리고 이러한 반 데르 발스 이종 접합의 밴드 갭 값과 밴드 오프셋은 층간 결합 및 외부 전기장에 의해 조정될 수 있습니다[50]. 또한 이중층 InSe의 가능한 적층 구성과 수직 전기장이 전자 구조에 미치는 영향을 연구합니다. 간접 밴드 갭 이중층 InSe는 전계 강도를 변화시켜 금속 유형으로 변환할 수 있습니다[51]. 유사하게, silicene[52], Germanene[53], 전이 금속 dihalcogenides[54, 55] 및 black phosphorus[56]와 같은 다른 좌굴된 2D 재료에서 수직 전기장은 밴드 갭과 전자 특성을 조정하기 위해 제안되었습니다. 이러한 선행 연구에 비추어 볼 때 단층 InSe의 전자 구조에 대한 전계 효과는 무엇인가에 대한 자연스러운 질문이 제기될 수 있습니다.
이 편지에서, 단층 InSe의 전자 구조에 대한 수직 전기장의 영향은 긴밀한 결합 모델 Hamiltonian을 사용하여 조사되었습니다. 간접-직접-간접 밴드 갭 전이는 전기장 강도가 증가하면서 고려된 시스템에서 달성될 수 있습니다. 동시에 단층 InSe의 밴드 갭은 점차 감소하여 결국 금속성이 됩니다. 이러한 효과의 기본 물리학 메커니즘은 에너지 밴드의 궤도 분해와 밴드 가장자리의 전기장 변조 에너지 위치 이동을 분석하여 밝혀졌습니다. 우리의 연구는 소수층 InSe의 전자적 특성을 근본적으로 이해하고 2D 광전자 장치에 대한 이론적 기반을 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다.
InSe 단층의 평면도는 그림 1a에 스케치되어 있습니다. 여기서 큰 보라색 구체는 인듐 이온을 나타내고 작은 녹색 구체는 셀레늄 이온을 나타냅니다. 이 두 가지 유형의 이온은 xy 격자 상수가 있는 평면 a , 가장 가까운 In 또는 Se 이온 사이의 거리. 그림 1b는 InSe 단층의 측면도의 개략도를 보여줍니다. 그래핀과 달리 xz에서 미러 대칭을 갖는 두 개의 하위 레이어 평면이 관찰된다. 서로 다른 하위층의 In(Se) 이온 사이의 수직 거리는 d로 설정됩니다. (디 ). 따라서 단층 InSe의 단위 셀은 4개의 이온 S로 구성됩니다. 이 1 , 나 n 1 , S 이 2 , 그리고 나 n 2 , 그림 1b의 빨간색 타원으로 표시된 것처럼 숫자 1(2)은 하위 레이어 인덱스를 나타냅니다.
<그림>
(온라인 색상) 상단(a ) 및 측면(b ) xy에서 단층 InSe의 보기 그리고 xz 각각 비행기. xy에서 가장 가까운 In 또는 Se 이온 사이의 격자 상수 비행기는 a입니다. , 그리고 다른 하위층에서 가장 가까운 In(Se) 이온 사이의 거리는 d입니다. (디 ). z를 따른 수직 전기장 -축 E z 단층 InSe에 적용됩니다. ㄷ 단층 InSe의 에너지 밴드
s 사이의 가능한 모든 호핑을 포함하여 두 번째로 가까운 이웃 상호 작용에 대한 긴밀한 바인딩 Hamiltonian 그리고 p In 및 Se 이온의 궤도는 [34]
를 읽습니다. $$ H=\sum\limits_{l} H_{0l}+H_{ll}+H_{ll'}, $$ (1)합계가 하위 계층 l에 걸쳐 실행되는 경우 =1 및 2 및 l ′ =2(1) as l =1(2). 안 0나 , 안녕 할 , 및 \(\phantom {\dot {i}\!}H_{ll^{\prime }}\)는 각각 현장 에너지, 두 하위 계층 내부 및 사이의 호핑 에너지에서 오는 용어로 구성됩니다. 그리고 이들의 명시적 표현은 [34]
와 같이 주어집니다. $$\begin{array}{@{}rcl@{}} H_{0l}=\sum\limits_{i}[\varepsilon_{\text{In}_{s}}a_{lis}^{\dag }a_{lis}+ \sum\limits_{\alpha}\varepsilon_{\text{In}_{p_{\alpha}}}a_{{lip}_{\alpha}}^{\dag}a_{{ 립}_{\alpha}}+ \\ \varepsilon_{\text{Se}_{s}}b_{lis}^{\dag}b_{lis}+ \sum\limits_{\alpha}\varepsilon_{\ text{Se}_{p_{\alpha}}}b_{{lip}_{\alpha}}^{\dag}b_{{lip}_{\alpha}}], \end{array} $$ ( 2)여기서 합계는 하위 계층 l의 모든 단위 셀에 적용됩니다. . \(\phantom {\dot {i}\!}\varepsilon _{\mathrm {In(Se)}_{s}}\)는 s에 대한 현장 에너지입니다. In (Se) 이온의 궤도, 반면 \(\phantom {\dot {i}\!}\varepsilon _{\mathrm {In(Se)}_{p_{\alpha }}}\)는 궤도 <나는>p α (α =x ,y ,z ). \(a_{lis}^{\dag }\) (a 목록 )는 s의 전자에 대한 생성(소멸) 연산자입니다. 단위 셀 i의 In 이온에 대한 오비탈 및 하위 레이어 l 하지만 \(\phantom {\dot {i}\!}a_{{lip}_{\alpha }}^{\dag }\) (\(\phantom {\dot {i}\!}a_{{ lip}_{\alpha }}\)) p의 전자 α 궤도 함수. 마찬가지로 b † (b )는 Se 이온의 관련 궤도에 있는 전자에 대한 생성(소멸) 연산자입니다.
$$\begin{array}{@{}rcl@{}} H_{ll}=H_{ll}^{(\text{In}-\text{Se})_{1}}+H_{ll} ^{\text{In}-\text{In}}+H_{ll}^{\text{Se}-\text{Se}}+H_{ll}^{(\text{In}-\text{ Se})_{2}}, \end{array} $$ (3)어느 [34]
$$ {{}{\begin{정렬} H_{ll}^{(\text{In}-\text{Se})_{1}}=\sum\limits_{<\text{In}_{li },\text{Se}_{lj}>}\{T_{ss}^{(\text{In}-\text{Se})_{1}}b_{ljs}^{\dag} a_{ lis}+T_{sp}^{(\text{In}-\text{Se})_{1}}\sum\limits_{\alpha}R_{\alpha}^{\text{In}_{li }\text{Se}_{lj}} \\ b_{ljp_{\alpha}}^{\dag} a_{lis}+T_{ps}^{(\text{In}-\text{Se}) _{1}}\sum\limits_{\alpha}R_{\alpha}^{\text{In}_{li}\text{Se}_{lj}}b_{ljs}^{\dag} a_{ lip_{\alpha}}+\sum\limits_{\alpha,\beta}\{[\delta_{\alpha\beta}T_{\pi}^{(\text{In}-\text{Se})_ {1}}- \\ (T_{\pi}^{(\text{In}-\text{Se})_{1}}+T_{\sigma}^{(\text{In}-\text {Se})_{1}})R_{\alpha}^{\text{In}_{li}\text{Se}_{lj}} R_{\beta}^{\text{In}_{ li}\text{Se}_{lj}}]b_{ljp_{\beta}}^{\dag} a_{lip_{\alpha}}\}\}+\mathrm{Hc}, \end{정렬} }} $$ (4) $$ { \begin{정렬} H_{ll}^{\text{In}-\text{In}}=\sum\limits_{<\text{In}_{li}, \text{In}_{lj}>}\{T_{ss}^{\text{In}-\text{In}}a_{ljs}^{\dag} a_{lis}+T_{sp}^ {\text{In}-\text{In}}\sum\limits_{\alpha}R_{\alpha}^{\text{In}_{li}\text{In}_{lj}} a_{ljp_ {\ㅏ lpha}}^{\dag} a_{lis}+ \\ \sum\limits_{\alpha,\beta}\{[\delta_{\alpha\beta}T_{\pi}^{\text{In}- \text{In}}- (T_{\pi}^{\text{In}-\text{In}}+T_{\sigma}^{\text{In}-\text{In}})R_{ \alpha}^{\text{In}_{li}\text{In}_{lj}} R_{\beta}^{\text{In}_{li}\text{In}_{lj}} ]a_{ljp_{\beta}}^{\dag} a_{lip_{\alpha}}\}\} \\ +\mathrm{Hc}, \end{정렬}} $$ (5) $$ { \ 시작{정렬} H_{ll}^{\text{Se}-\text{Se}}=\sum\limits_{<\text{Se}_{li},\text{Se}_{lj}>} \{T_{ss}^{\text{Se}-\text{Se}}b_{ljs}^{\dag} b_{lis}+T_{sp}^{\text{Se}-\text{Se }}\sum\limits_{\alpha}R_{\alpha}^{\text{Se}_{li}\text{Se}_{lj}} b_{ljp_{\alpha}}^{\dag} b_ {lis}+ \\ \sum\limits_{\alpha,\beta}\{[\delta_{\alpha\beta}T_{\pi}^{\text{Se}-\text{Se}}- (T_ {\pi}^{\text{Se}-\text{Se}}+T_{\sigma}^{\text{Se}-\text{Se}})R_{\alpha}^{\text{Se }_{li}\text{Se}_{lj}} R_{\beta}^{\text{Se}_{li}\text{Se}_{lj}}]b_{ljp_{\beta}} ^{\dag} b_{lip_{\alpha}}\}\} \\ +\mathrm{Hc}, \end{정렬}} $$ (6)그리고
$$ { \begin{정렬} H_{ll}^{(\text{In}-\text{Se})_{2}}=\sum\limits_{<\text{In}_{li},\ text{Se}_{lj'}>}\{T_{ss}^{(\text{In}-\text{Se})_{2}}b_{lj's}^{\dag} a_{lis} +T_{sp}^{(\text{In}-\text{Se})_{2}}\sum\limits_{\alpha}R_{\alpha}^{\text{In}_{li}\ text{Se}_{lj'}} \\ b_{lj'p_{\alpha}}^{\dag} a_{lis}+T_{ps}^{(\text{In}-\text{Se} )_{2}}\sum\limits_{\alpha}R_{\alpha}^{\text{In}_{li}\text{Se}_{lj'}}b_{lj's}^{\dag} a_{lip_{\alpha}}+\sum\limits_{\alpha,\beta}\{[\delta_{\alpha\beta}T_{\pi}^{(\text{In}-\text{Se} )_{2}}- \\ (T_{\pi}^{(\text{In}-\text{Se})_{2}}+T_{\sigma}^{(\text{In}- \text{Se})_{2}})R_{\alpha}^{\text{In}_{li}\text{Se}_{lj'}} R_{\beta}^{\text{In }_{li}\text{Se}_{lj'}}]b_{lj'p_{\beta}}^{\dag} a_{lip_{\alpha}}\}\}+\mathrm{Hc} \end{정렬}} $$ (7)동일한 하위 계층 l 내에서 가장 가까운 이웃 In-Se, In-In, Se-Se 및 다음으로 가장 가까운 In-Se 쌍 간의 호핑 용어를 포함합니다. , 각각. \(T_{ss/sp/ps}^{\mathrm {X}}\)는 ss에 대한 호핑 적분입니다. /sp /ps 대응하는 쌍 X 사이의 궤도, 반면 \(T_{\pi (\sigma)}^{\mathrm {X}}\)는 평행 p에 대한 것입니다. 그리고 p 호핑 벡터 \(R_{\alpha }^{\mathrm {X}}\) [57]에 수직인 궤도. 예를 들어
$$\begin{array}{@{}rcl@{}} R_{\alpha}^{(\text{In}-\text{Se})_{1}}=\frac{\mathrm{\mathbf {R}}_{\text{Se}_{lj}}-\mathrm{\mathbf{R}}_{\text{In}_{li}}} {|\mathm{\mathbf{R}} _{\text{Se}_{lj}}-\mathrm{\mathbf{R}}_{\text{In}_{li}}|}\cdot \hat{\alpha}, \end{array} $$ (8)여기서 \(\phantom {\dot {i}\!}\mathrm {\mathbf {R}}_{{\text {In}_{li}}/{\text {Se}_{lj}}}\ )는 Inli의 위치 벡터입니다. /Selj , \(\hat {\mathbf {\alpha }}\) 는 α 에 따른 단위 벡터입니다. .
$$\begin{array}{@{}rcl@{}} H_{ll'}=H_{ll'}^{(\text{In}-\text{In})_{1}}+H_{ ll'}^{\text{In}-\text{Se}}+H_{ll'}^{(\text{In}-\text{In})_{2}}, \end{array} $ $ (9)어느 [34]
$$ { \begin{정렬} H_{ll'}^{({\text{In}-\text{In}})_{1}}=\sum\limits_{i}\{T_{ss}^ {({\text{In}-\text{In}})_{1}}a_{l'is}^{\dag} a_{lis}+T_{sp}^{({\text{In} -\text{In}})_{1}}\sum\limits_{\alpha}R_{\alpha}^{\text{In}_{li}\text{In}_{l'i}} a_ {l'ip_{\alpha}}^{\dag} a_{lis}+ \\ \sum\limits_{\alpha,\beta}\{[\delta_{\alpha\beta}T_{\pi}^{ ({\text{In}-\text{In}})_{1}}- (T_{\pi}^{({\text{In}-\text{In}})_{1}}+ T_{\sigma}^{({\text{In}-\text{In}})_{1}})R_{\alpha}^{\text{In}_{li}\text{In}_ {l'i}} R_{\beta}^{\text{In}_{li}\text{In}_{l'i}}] \\ a_{l'ip_{\beta}}^{\ dag} a_{lip_{\alpha}}\}\}+\mathrm{Hc}, \end{aligned}} $$ (10) $$ { \begin{aligned} H_{ll'}^{\text{ In}-\text{Se}}=\sum\limits_{<\text{In}_{li},\text{Se}_{l'j}>}\{T_{ss}^{\text{ In}-\text{Se}}b_{l'js}^{\dag} a_{lis}+T_{sp}^{\text{In}-\text{Se}}\sum\limits_{\alpha }R_{\alpha}^{\text{In}_{li}\text{Se}_{l'j}} \\ b_{l'jp_{\alpha}}^{\dag} a_{lis} +T_{ps}^{\text{In}-\text{Se}}\sum\limits_{\alpha}R_{\alpha}^{\text{In}_{li}\text{Se}_{ l'j}}b_{l'js}^{\dag} a_ {lip_{\alpha}}+\sum\limits_{\alpha,\beta}\{[\delta_{\alpha\beta}T_{\pi}^{\text{In}-\text{Se}}- \\ (T_{\pi}^{\text{In}-\text{Se}}+T_{\sigma}^{\text{In}-\text{Se}})R_{\alpha}^{ \text{In}_{li}\text{Se}_{l'j}} R_{\beta}^{\text{In}_{li}\text{Se}_{l'j}}] b_{l'jp_{\beta}}^{\dag} a_{lip_{\alpha}}\}\}+\mathrm{Hc}, \end{정렬}} $$ (11)그리고
$$ { \begin{정렬} H_{ll'}^{({\text{In}-\text{In}})_{2}}=\sum\limits_{i}\{T_{ss}^ {({\text{In}-\text{In}})_{2}}a_{l'js}^{\dag} a_{lis}+T_{sp}^{({\text{In} -\text{In}})_{2}}\sum\limits_{\alpha}R_{\alpha}^{\text{In}_{li}\text{In}_{l'j}} a_ {l'jp_{\alpha}}^{\dag} a_{lis}+\\ \sum\limits_{\alpha,\beta}\{[\delta_{\alpha\beta}T_{\pi}^{ ({\text{In}-\text{In}})_{2}}- (T_{\pi}^{({\text{In}-\text{In}})_{2}}+ T_{\sigma}^{({\text{In}-\text{In}})_{2}})R_{\alpha}^{\text{In}_{li}\text{In}_ {l'j}} R_{\beta}^{\text{In}_{li}\text{In}_{l'j}}] \\ a_{l'jp_{\beta}}^{\ dag} a_{lip_{\alpha}}\}\}+\mathrm{Hc} \end{정렬}} $$ (12)가장 가까운 이웃 In-In, In-Se 및 하위 계층 간의 다음으로 가장 가까운 In-In 쌍 사이의 호핑 용어 포함 l 그리고 나 ′ , 각각. z 방향의 수직 전기장이 -축은 단층 InSe에 적용되며 그 효과는 In 및 Se 이온의 현장 궤도 에너지 수정, 즉
$$\begin{array}{@{}rcl@{}} \varepsilon'=\varepsilon+eE_{z}z, \end{array} $$ (13)여기서 e 는 전자 전하이고 E z 수직 전기장의 세기이다. 수직 전기장은 단층 InSe에 상단 및 하단 게이트를 추가하여 달성할 수 있습니다. 또한 단층 InSe와 게이트 사이에 두 개의 절연층이 삽입되어 z를 따라 흐르는 전류를 제거합니다. -중심선. 결과적으로 전계 강도는 게이팅 전압을 변경하여 조정할 수 있습니다.
Eq.에서 단단히 바인딩된 Hamiltonian을 변환하여 (1) k로 공간을 한 다음 대각선으로 에너지 밴드 E (k ) 수직 전기장이 있거나 없는 단층 InSe는 편리하게 얻을 수 있습니다. 여기서 k 파동 벡터입니다. 동시에 고유벡터 C의 계수는 n 케이 (오 ) 밴드 n에서 , 궤도 o , 및 파동 벡터 k 달성할 수도 있습니다.
그림 1a 및 b에서 단층 InSe의 격자 매개변수는 a =3.953 Å, d =2.741 Å 및 D =5.298 Å, 이는 국소 밀도 근사에 의해 얻어집니다[30]. 단단히 묶인 Hamiltonian Eq.의 현장 및 도약 에너지. (1)은 가위 보정이 있는 밀도 함수 이론 데이터에 맞는 표 1에 나와 있습니다[34]. 여기에는 단층 InSe의 수치적 결과만 나와 있지만 이중층 InSe와 벌크 InSe에서도 질적으로 유사한 결과가 발견되었습니다. 간결함을 위해 이 서신에는 표시되지 않습니다.
그림 1c는 단층 InSe의 에너지 밴드를 보여줍니다. 점 Γ 주변의 전도대는 다른 일반 반도체와 유사한 포물선 모양의 에너지 분산을 나타냅니다. 그러나 Γ-K를 따른 밴드 구조는 Γ-M을 따른 밴드 구조와 약간 비대칭입니다. 그리고 가장 낮은 두 개의 전도대는 빨간색 주기로 표시된 대로 이 두 방향을 따라 서로 교차합니다. 전도대와 대조적으로, 가장 높은 가전자대는 평평하지만 점 Γ 주위에서 약간 반전되어 흥미로운 멕시코 모자 같은 구조를 형성합니다. 따라서 단층 InSe는 간접 밴드 갭 반도체이며 직접 밴드 갭 반도체이기 때문에 벌크 InSe와 상당히 다릅니다. 단층 InSe의 에너지 갭은 \(E_{\mathrm {g}}^{\text {id}}=E_{\mathrm {C}}-E_{\mathrm {A}}=2.715\)로 구할 수 있습니다. 이는 벌크 InSe \(E_{\mathrm {g}}^{\mathrm {d}}=1.27\) eV [34]와 비교하여 훨씬 확대된 eV입니다. 그러나 다른 원자가 밴드는 정상적인 포물선과 같은 에너지 분산을 보여줍니다.
그림 1c와 같은 단층 InSe의 에너지 밴드를 이해하기 위해 궤도 분해 |C n 케이 (오 )| 2 에너지 밴드의 경우 그림 2에 나와 있습니다. 단층 InSe의 두 하위 레이어가 z를 따라 대칭이기 때문에 -축에서 다른 하위층의 이온은 에너지 밴드에 동일한 궤도 기여도를 갖습니다. 여기에서는 그림 1b와 같이 서브레이어 2의 In 및 Se 이온을 예로 들어 설명합니다. 위쪽 패널은 In 이온의 궤도 기여를 나타내고 아래쪽 패널은 Se 이온의 궤도 기여를 나타냅니다. 선의 두께는 정규화된 궤도 기여도에 비례합니다. 점 Γ 주변의 가장 낮은 전도대가 p에서 먼저 기여함을 알 수 있습니다. z Se 이온의 궤도와 s In 이온의 궤도. K 점 주변의 두 번째 전도대는 p에서 주로 발생합니다. x In 이온의 오비탈과 p z Se 이온의 궤도. 그러나 가장 높은 원자가 밴드는 주로 p z Se 이온의 궤도. 다른 가전자대는 p x 그리고 p 와 Se 이온의 궤도. 이 결과는 DFT 계산에 의해 얻은 결과와 일치합니다[34].
<사진>
(Color online) 단층 InSe의 에너지 밴드에 대한 궤도 분해. 두꺼운 선은 더 지배적인 기여를 나타냅니다. z를 따라 거울 대칭을 갖는 단층 InSe의 두 하위층이 예로서 하위층 2의 In 및 Se 이온만 선택되었습니다. -축(a –h )
z를 따라 수직 전기장이 있는 단층 InSe의 에너지 밴드 -축은 그림 3a에 나와 있습니다. 전기장 강도는 E로 취합니다. z =2.0V/nm. 그림 1c의 에너지 밴드와 비교하면 각 전도 밴드와 가전자 밴드가 전체적으로 더 높은 에너지 영역으로 들어 올려집니다. 그러나 각 밴드의 에너지 이동은 p z In과 Se 이온의 궤도는 다릅니다. 가장 높은 가전자대의 최대값 위치는 Γ 지점으로 변경되고 전도대의 최소값 위치는 변경되지 않습니다. 따라서 단층 InSe는 직접 밴드 갭 반도체로 변환됩니다. 그리고 에너지 갭은 \(E_{\mathrm {g}}^{\mathrm {d}}=2.61\) eV로 감소합니다. 또한, Γ−K 및 Γ−M 방향을 따라 교차점이 열려 z -축은 수직 전기장에 의해 끊어집니다. 전계 강도가 E로 증가할 때 z =6.0 V/nm일 때 그림 3b와 같이 Γ 지점에서의 에너지 갭은 감소하지만 교차점에서의 에너지 갭은 더 증가합니다. 흥미롭게도 전도대의 최소값 위치는 점 Γ에서 점 K 부근으로 변경되는 반면 가장 높은 가전자대의 최대값 위치는 점 Γ에 유지됩니다. 이 현상은 단층 InSe가 다시 간접 밴드갭 반도체로 전이되고 전체 밴드의 간접 에너지갭 \(E_{\mathrm {g}}^{\text {id}}=1.30\) eV로 전이됨을 의미한다. 유사하게, 단층 InSe의 밴드 갭은 이축 변형에 의해 제어될 수 있다. 밴드 갭은 변형률이 1~4%로 변할 때 1.466~1.040eV입니다. 또한 단층 InSe가 단축 변형 하에 있을 때 간접-직접 밴드 갭 전이도 관찰됩니다[49]. 수직 전기장을 갖는 이중층 InSe의 경우 전기장 세기가 증가함에 따라 밴드 갭이 감소하고 전기장 세기가 2.9V/nm로 증가하면 밴드 갭이 닫힙니다[51].
<그림>
(Color online) 서로 다른 강도 E에서 수직 전계 변조 단층 InSe의 에너지 밴드 z =2.0V/nm(a ) 및 6.0V/nm(b ), 각각. a의 빨간색 원 그리고 b 그림 1c에 표시된 교차점 주변의 열린 에너지 갭을 의미합니다. ㄷ 전계 강도의 함수로 그림 1c에 표시된 점 A(검은색 실선), B(자홍색 파선), C(파란색 점선) 및 D(녹색 점선)에서의 에너지 . d 전계 강도의 함수로서의 전역 밴드 갭. 노란색 선은 직접 밴드 갭을 나타내고 빨간색과 파란색 선은 간접 밴드 갭을 나타냅니다.
수직 전기장의 존재 하에서 단층 InSe의 전자 구조의 변화 과정을 더 명확하게 이해하기 위해 그림 1c에 표시된 밴드 가장자리에서 점 A, B, C, D에 해당하는 파동 벡터의 에너지 전계 강도의 함수로서 그림 3c에 묘사되어 있습니다. 이 모든 지점에 대한 에너지는 전계 강도가 증가함에 따라 위쪽으로 이동하여 그림 3a 및 b에서 에너지 밴드의 진화를 확인합니다. 전계 강도가 E일 때 z <1.6 V/nm, 가전자대의 A 지점 에너지는 B 지점 에너지보다 높지만 전도대 하단은 C 지점에 위치합니다. 따라서 이 강도 범위 내의 전계 변조 단층 InSe는 간접 밴드 갭입니다. 빨간색 영역으로 표시된 것처럼 반도체. 그러나 A점과 B점에 대한 에너지는 TP1에서 교차하고 B점의 에너지는 전계 강도가 더 증가함에 따라 A점보다 높아집니다. 동시에 전도대의 하단은 전계 강도가 4.0V/nm로 증가할 때까지 변하지 않습니다. 결과적으로 이 강도 범위 내에서 전계 변조된 단일층 InSe는 노란색 영역으로 표시된 바와 같이 직접 밴드 갭 반도체입니다. 가전자대에서 점 A와 B 사이의 에너지 교차와 유사하게 TP2로 표시된 대로 전도대에서 점 C와 D의 에너지에서도 전이점이 관찰됩니다. D 지점의 에너지는 C 지점보다 낮지만 전계 강도가 9.23 V/nm 미만인 경우 가전자대의 상단은 여전히 B 지점에 머물러 있습니다. 결과적으로, 전기장 변조된 단층 InSe는 파란색 영역과 같이 다시 간접 밴드 갭 반도체로 변한다. 흥미롭게도 가장 높은 가전자대의 B 지점과 가장 낮은 전도대의 D 지점의 에너지는 TP3에서도 교차하므로 에너지 밴드 갭이 닫힙니다. 더욱이, 전계 강도가 9.23 V/nm보다 클 때 점 B에서의 에너지는 점 D의 에너지보다 높을 것이다. 따라서 가장 낮은 전도대와 가장 높은 가전자대가 중첩되어 이 경우 전계 변조된 단층 InSe는 시안 영역으로 표시된 것처럼 금속이 됩니다. 그림 3c의 다른 색상 영역에 해당하는 전역 밴드 갭은 그림 3d에 표시됩니다. 빨간색 영역에 해당하는 밴드 갭은 빨간색 선으로 표시된 것처럼 다양한 전계 강도와 거의 무관합니다. 그러나 노란색 영역의 밴드 갭은 전계 강도가 증가함에 따라 선형적으로 감소합니다. 유사한 밴드 갭 거동이 파란색 영역에서도 발견되지만 더 큰 기울기가 있습니다. 밴드 갭은 전계 강도가 시안선으로 표시된 TP3 지점보다 크면 0으로 감소합니다. 전기장 변조된 밴드 갭 동작은 층을 이룬 III-VI 반도체가 새로운 광학 검출기 및 흡수 장치를 설계하는 데 잠재적으로 응용할 수 있음을 나타냅니다. 또한 이러한 장치의 스펙트럼 응답 주파수는 보라색(ν ≈6.57×10 14 Hz를 E로 z =1.6 V/nm) 적외선(ν) <3.97×10 14 Hz를 E로 z >5.18V/nm).
잘 알려진 바와 같이, 물질의 전자적 특성은 주로 에너지 밴드 가장자리에 의해 결정됩니다. 그림 2의 에너지 밴드에 대한 궤도 분해에 따르면 단층 InSe의 전도대 가장자리와 가전자대 가장자리는 모두 p에서 지배적으로 기여합니다. z Se 이온의 궤도. 따라서 p만 z 그림 3a 및 b에 표시된 에너지 밴드에 대한 서브레이어 2에서 Se 이온의 궤도 분해가 각각 그림 4a 및 b에 표시됩니다. 그림 2h와 비교하여 p z 전도대에 대한 궤도 기여도가 약간 변경됩니다. 따라서 이러한 밴드 구조의 모양은 거의 영향을 받지 않습니다. 그러나 p z 원자가 밴드에 대한 궤도 기여는 강하게 수정되어 이러한 밴드 구조의 모양이 변경됩니다. 또한 p에 따르면 z 수직 전기장이 있는 단층 InSe의 에너지 밴드에 대한 궤도 분해에서 빨간색 주기로 표시된 것처럼 밴드 교차점에서 간격이 열리더라도 각 전도대의 상대 위치는 변경되지 않습니다. 반대로, 각 가전자대의 상대적인 위치가 변경됩니다. Γ 주변의 낮은 원자가 밴드의 에너지 포인트 증가 및 최종적으로 가장 높은 가전자대를 능가하여 간접적인 밴드 갭 전환으로 이어집니다.
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(온라인 색상) a 그리고 b p 표시 z 그림 3a와 b에 각각 수직 전기장을 갖는 단층 InSe의 에너지 밴드에 대한 하위층 2의 Se 이온의 궤도 분해. 두꺼운 선은 더 중요한 기여를 나타냅니다.
수직 전기장의 변조 하에서 단층 InSe의 전자 구조를 조사합니다. 간접-직접-간접 밴드 갭 전이는 전계 강도를 조정하여 단층 InSe에 대해 발견됩니다. 동시에, 이 시스템의 전역 밴드 갭은 전계 강도가 증가함에 따라 단조롭게 0으로 감소하며, 이는 반도체-금속 전이가 달성됨을 의미합니다. 수직 전기장의 존재 하에서 단층 InSe의 에너지 밴드의 진화는 밴드 가장자리의 에너지 변화와 에너지 밴드에 대한 궤도 분해를 분석함으로써 명확해집니다. 이러한 결과는 단층 InSe의 전자 구조를 더 잘 이해하고 보라색에서 원적외선 빛에 반응하는 단층 InSe 기반 광전 소자 설계에 도움이 될 수 있습니다.
이 기사의 결론을 뒷받침하는 데이터 세트가 기사에 포함되어 있습니다.
2차원
밀도 함수 이론
전이금속 디칼코게나이드
나노물질
초록 2차원 Janus 재료는 특정 구조와 새로운 특성으로 인해 스핀트로닉 장치에 응용할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 그들은 일반적으로 본질적으로 비자성입니다. 여기에서 서로 다른 전이 금속(TM:Co, Fe, Mn, Cr, V) 흡착 WSSe 프레임워크를 구성하고 이들의 구조와 자기 특성을 제1원리 계산을 통해 종합적으로 조사합니다. 결과는 W 원자의 상단이 모든 TM 원자에 대해 가장 안정적인 흡수 사이트이며 모든 시스템이 자성을 나타냄을 보여줍니다. 더욱이, 그들의 자기적 특성은 흡착된 요소와 흡착제 칼코겐
초록 그래핀 너머의 2차원(2D) 반도체는 가장 얇고 안정적인 알려진 나노물질을 나타냅니다. 21세기의 지난 10년 동안 제품군과 애플리케이션의 급속한 성장은 첨단 나노 및 광전자 기술에 전례 없는 기회를 가져왔습니다. 이 기사에서는 개발된 2D 나노 물질에 대한 최신 연구 결과를 검토합니다. 이러한 2차원 나노물질 및 이종구조의 고급 합성 기술을 요약하고 새로운 응용에 대해 논의했습니다. 제작 기술에는 최신 2D 반도체의 화학 기상 증착(CVD), 원자층 증착(ALD)에 특히 중점을 두고 비정질 및 결정질 2D 나노물질을 모두