다른 층간 거리 및 외부 전기장을 갖는 이중층 α-GeTe의 조정 가능한 전기 특성

결과 및 토론

기하학적 구조

단층 α-GeTe는 Ge 원자가 한 층에 있고 Te 원자가 다른 층에 있는 버클형 원자층이 있는 육각형 구조를 가지고 있습니다. 단층 α-GeTe의 최적화된 격자 매개변수, 결합 길이 및 각도는 다음과 같습니다. a =b =3.95 Å, L _게테 =2.776 Å 및 θ =91.497°, 각각. 격자 매개변수 단층 α-GeTe도 이전 보고서와 일치합니다[21]. 이중층 α-GeTe vdW 이종 구조의 경우 그림 1과 같이 AA 및 AB 적층과 같은 두 가지 유형의 높은 대칭 적층 구조가 고려됩니다. AA 적층은 육각형 적층 배열을 나타냅니다. AB-stacking은 벌크 α-GeTe의 구조로 Bernal stacking 특징을 가지고 있습니다. 상대적 안정성을 평가하기 위해 두 적층 구조의 총 에너지를 각각 계산합니다. 그 결과 AA-stacking의 총 에너지가 AB-stacking의 총 에너지보다 147 meV 적음을 보여줍니다. 이중층 α-GeTe의 더 안정적인 구조는 벌크 구조와 다른 AA 적층 구조입니다. 또한, 계산된 평형 거리는 AA 적층 이중층 α-GeTe에 대해 2.920 Å입니다. 그림 2에 나와 있는 AA 적층 이중층 α-GeTe의 계산된 포논 분산은 포논 스펙트럼에 가상 주파수가 없기 때문에 AA 적층 이중층 α-GeTe가 안정적임을 나타냅니다. 또한, 실험에서 안정적인 2층 α-GeTe가 얻어졌습니다[21]. 따라서 AA-stacking 이중층 α-GeTe는 다음 섹션에서 주로 논의됩니다.

상위 뷰(a ) 및 측면도(c ) AA 적층 이중층 α-GeTe. 상위 뷰(b ) 및 측면도(d ) AB 적층 이중층 α-GeTe

AA 적층 이중층 α-GeTe의 포논 밴드 분산

전자 구조

이중층 α-GeTe의 전자적 특성을 명확하게 이해하기 위해 그림 3a와 같이 단층 α-GeTe의 밴드 구조와 PDOS(projected density of state)를 계산합니다. 전도대 최소값(CBM)은 M과 Γ 지점 사이에 있는 반면 원자가 대역 최대값(VBM)은 Γ 지점에 있습니다. 이는 단층 α-GeTe가 에너지 갭 값이 1.796 eV인 간접 밴드 갭 반도체임을 나타냅니다. , 이전 결과와 잘 일치합니다[21]. PDOS에 따르면 CBM은 크게 Ge-s, Ge-p 및 Te-p 상태로 구성되는 반면 VBM의 상태는 Ge-p 및 Te-p 상태에 귀속됩니다. 이중층 α-GeTe의 경우 투영된 밴드 구조가 0.610 eV의 간격 값을 가진 간접 밴드를 나타내는 그림 3b에 표시됩니다. 이중층 α-GeTe의 CBM은 M과 Γ 포인트 사이에 있는 아래쪽 레이어에 의해 지배되는 반면 VBM은 Γ와 K 포인트 사이에 위치한 위쪽 레이어의 상태에 의해 주로 기여합니다. 이중층 α-GeTe의 투영된 밴드 구조가 단일층 성분의 합으로 보인다는 흥미로운 점이 있는데, 이는 이중층 α-GeTe에 전형적인 약한 vdW 상호작용이 존재함을 나타냅니다. 이중층 α-GeTe에 대한 추가 통찰력을 얻기 위해 그림 3c와 같이 VBM과 CBM의 밴드 분해 전하 밀도가 계산됩니다. CBM과 VBM의 밴드 분해 전하 밀도는 분명히 다릅니다. 에너지가 가장 낮은 전자와 에너지가 가장 높은 정공의 상태는 각각 하향층과 상향층에 국한되어 있어 유형 II 밴드 가장자리 정렬로 전자와 정공을 효과적으로 분리합니다. 따라서 공간적으로 간접 엑시톤 재결합은 이중층의 엇갈린 간격을 통해 발생하며, 이는 광전자 응용 분야에 중요합니다[12].

아 밴드 구조 및 단층 α-GeTe 상태의 부분 밀도. 예상 밴드 구조(b ) 이중층 α-GeTe의 파란색 선(아래층)과 빨간색 선(위층)으로 표시됩니다. 대역 분해 전하 밀도(c ) 이중층 α-GeTe에 대한 VBM 및 CBM

광학 속성

광전자 장치에서 광 흡수를 연구하는 것은 매우 중요합니다. 주파수 종속 유전 함수 ε 기반 (ω ), 광흡수 계수 a (ω ) 단층 및 이중층 α-GeTe는 공식 [12, 22]에 따라 계산할 수 있습니다.

여기서 ε ₁ (ω ) 및 ε ₂ (ω )은 각각 복소 유전 함수의 실수부와 허수부입니다. Fig. 4에서 얻어진 단층, 이중층, 벌크 α-GeTe의 광흡수계수를 나타내었다. 단층 α-GeTe는 단층 α-GeTe의 전도대와 가전자대 사이의 전이에 따라 3개의 흡수 피크를 갖는다. 그리고 자외선과 심자외선 영역에서 명백한 빛 흡수가 있습니다. 그러나 이중층 α-GeTe는 가시광선 및 적외선 영역에서도 뚜렷한 광 흡수를 나타냅니다. 이중층 α-GeTe와 유사하게 벌크 α-GeTe는 심자외선에서 적외선에 이르는 광범위한 광 흡수를 나타내며 광 흡수 강도는 10 ⁵ 정도에 도달할 수 있습니다. cm ⁻¹ . 이러한 향상된 광 흡수 강도는 단층 및 이중층 α-GeTe와 비교하여 벌크 α-GeTe의 증가된 층 수에 기인합니다. 따라서 α-GeTeTe는 태양 에너지 활용의 효율성으로 인해 광전자 공학 응용 분야에 유망한 재료가 될 수 있습니다.

단층 및 이중층 α-GeTe의 흡수 계수

수직 변형의 효과

수직 변형을 적용하는 것은 이중층 재료의 전자 특성을 조절하는 효과적인 방법입니다. 그림 5a는 층간 거리에 따른 밴드 갭을 보여줍니다. 결합 에너지(E _b )는 방정식 [22]에 의해 계산됩니다.

여기서 E _이중층 및 E _단층 는 각각 이중층 및 단일층 α-GeTe의 총 에너지입니다. 2.420 ~ 3.520 Å의 층간 거리가 다양하면 결합 에너지는 모두 음수입니다. 더 중요한 것은 d와의 거리입니다. =2.920 Å은 E의 최소값에 해당합니다. _b , 가장 안정적인 구조를 나타냅니다. 또한, 이중층 α-GeTe의 밴드 갭은 다른 층간 결합에 의해 지속적으로 조정될 수 있습니다. 밴드 갭은 단조롭게 증가하지만 모든 밴드 구조의 모양은 2.420에서 3.520 Å까지의 거리에 따라 변하지 않고 유지됩니다. 그림 5b에서 밴드 구조는 층간 거리가 2.420 Å 및 3.520 Å인 이중층 α-GeTe에 대해 표시됩니다. CBM1 및 VBM1은 층간 거리 3.520 Å에 해당하고 CBM2 및 VBM2는 층간 거리 2.420 Å에 해당합니다. CBM은 감소하는 반면 VBM은 층간 거리가 감소함에 따라 증가합니다. 밴드 갭은 vdW 층간 상호 작용 및 궤도 중첩의 향상으로 인해 이중층 α-GeTe에 대한 층간 거리가 증가함에 따라 증가합니다. 이중층 InSe[22]에서도 유사한 동작을 찾을 수 있습니다.

결합 에너지 및 밴드 갭의 변화(a ) 층간 거리의 함수로서의 이중층 α-GeTe. 밴드 구조(b ) 2.420 Å 및 3.520 Å 층간 거리를 갖는 이중층 α-GeTe

외부 전기장의 영향

2D vdW 이중층의 전자 특성을 조정하는 또 다른 효과적인 방법은 수직 외부 전기장을 적용하는 것입니다. 유효한 결과를 얻기 위해 평면 쌍극자 층이 진공 영역의 중간에서 수행되고 전기장의 적용으로 모든 계산에서 대칭이 취소됩니다[29]. 또한, 양의 방향은 아래쪽 레이어에서 위쪽 레이어를 가리키는 것으로 정의됩니다. 그림 6에서 이중층 α-GeTe의 밴드갭은 전기장을 인가했을 때(E _앱 ) 0.01에서 0.64 V/Å까지 다양합니다. E일 때 _앱 임계값(E)보다 작거나 큽니다. _ㄷ ), 이중층 α-GeT의 밴드 갭은 매우 빠르고 선형적으로 떨어집니다. 그런 다음 이중층 α-GeTe의 반도체에서 금속으로의 전이가 E가 될 때까지 발생합니다. _앱 일반적인 값(E)보다 작거나 큽니다. _t ). 이러한 결과는 인가된 전계 강도가 클수록 두 층 사이의 혼성화가 더 강하다는 것을 보여줍니다.

인가 수직 전기장의 함수로서 이중층 α-GeTe의 밴드 갭의 변화. 색상이 지정된 수평 파선은 공백 없이 이동됩니다.

특히 E의 범위는 _ㄷ –이 _t 음의 전기장 적용 시 0.01–0.20 V/Å이며, 이는 E 범위보다 분명히 큽니다. _ㄷ –이 _t (0.64–0.72 V/Å) 양의 인가된 전기장. 적용된 수직 전기장에서 밴드 갭 전환을 이해하기 위해 선택된 외부 수직 전기장에서 이중층 α-GeTe의 투영된 밴드 구조가 그림 7과 같이 계산되었습니다. E일 때 _앱 =− 0.20 및 E _앱 =− 0.10 V/Å, 이중층 α-GeTe의 CBM과 VBM도 각각 하향층과 상향층에 의해 기여됩니다. 수직 전기장의 적용은 CBM과 VBM을 모두 페르미 레벨에 더 가깝게 만들어 결국 E에서 반도체-금속 전이를 달성합니다. _앱 =− 0.20 V/Å. 반면에 양의 인가 전계가 증가함에 따라 하향층의 밴드 구조의 에너지 준위는 점차 증가하고 상향층에서는 그 반대의 현상이 관찰된다. 결과적으로, E일 때 up layer와 down layer는 bilayer α-GeTe의 CBM과 VBM에 각각 기인한다. _앱 ≥ 0.64 V/Å. 또한, 시안선으로 표시되는 인가된 양의 전기장 아래에 추가 전도대가 나타납니다. 이 밴드는 NFEG(근자유 전자 가스) 기능을 나타내는 아래쪽 레이어 또는 위쪽 레이어에 의해 기여되지 않습니다[30]. NFEG 대역의 에너지 준위는 인가된 전기장의 증가에 따라 매우 빠르게 감소합니다. E일 때 _앱 ≥ E _ㄷ ~ 0.64 V/Å, CBM은 NFEG 밴드로 구성되었습니다. E일 때 _앱 ≥ E _t ~ 0.72 V/Å, NFEG 밴드는 페르미 준위에 가깝고 아래쪽 레이어의 VBM은 NFEG 밴드와 접촉하여 금속 밴드 구조 특징을 나타냅니다. 그리고 전기장의 긍정적인 인가 하에서 이중층 α-GeTe의 밴드 갭 변화 경향이 더 분석된다. E의 경우 _앱 <이 _ㄷ , 밴드 갭은 CBM과 VBM 사이의 에너지 준위 차이에 따라 달라지며, 이는 전기장의 인가에 민감하지 않습니다. 따라서 밴드갭이 비교적 안정적이다. E의 경우 _ㄷ <이 _앱 <이 _t , NFEG 밴드는 CBM을 인수하고 밴드 갭 변화를 지배합니다. NFEG 밴드의 에너지 준위가 급격히 떨어질수록 밴드 갭은 급격하고 선형적으로 감소한다. E의 경우 _앱 <이 _t , NFEG 대역의 에너지 준위는 VBM보다 낮아진다. 따라서 이중층 α-GeTe의 반도체-금속 전이는 전계 유도 NFEG에서 비롯됩니다. 또한 이중층 α-GeTe는 E _t 이중층 InSe [29]의 이중층 α-GeTe의 반도체-금속 전이는 더 많은 전압이 필요함을 나타냅니다.

서로 다른 외부 수직 전기장에서 파란색 선(아래층)과 빨간색 선(위층)으로 표시된 이중층 α-GeTe의 투영된 밴드 구조

이중층 α-GeTe를 사용하는 가능한 데이터 저장 장치는 위의 결과를 기반으로 설계되었으며, 그 도식적 구조는 그림 8과 같이 구성됩니다. 이중층 α-GeTe는 얇은 Si/SiO₂2에 전달됩니다. 하위> 기질. 동일한 Si/SiO₂ 레이어는 이중층 α-GeTe에 덮여 공기로부터 2D α-GeTe를 보호합니다. 대면적 그래핀 필름은 높은 광투과율과 전도성으로 인해 소스 및 드레인 전극으로 전사되어 사용된다[31]. 기본 이중층 α-GeTe는 소스 전극과 드레인 전극 사이에 높은 전기 저항 OFF 상태를 갖는 반도체입니다. 전기장 유도 NFEG는 이중층 α-GeTe를 E에 의해 제로 갭으로 변조할 수 있습니다. _앱 ≥ E _t 아래쪽에서 위쪽으로 Si, 이는 소스 전극과 드레인 전극 사이의 전기 저항이 0인 상태를 의미합니다. NFEG 및 ON 상태는 인가 전계가 철회될 때 이 FET(전계 효과 트랜지스터) 장치 내에서 유지될 수 있습니다. 음의 전기장이 가해지면 이중층 α-GeTe의 NFEG가 지워집니다. 따라서 반도체 및 금속 밴드 구조 기능을 가진 OFF 및 ON 상태는 이중층 α-GeTe 기반 데이터 저장 장치에 저장할 수 있습니다.

인가 전기장의 함수로서 이중층 α-GeTe의 밴드 갭. 삽입은 도식 모델입니다