수소화 그래핀(HG)/육방정계 질화붕소(h-BN) 이중층은 고성능 전계효과 트랜지스터에 이상적인 구조입니다. 본 논문에서는 HG와 h-BN 간 적층 패턴, 수소 피복도, 수소화 패턴의 영향을 고려해 제1원리 계산 기반으로 HG/h-BN 이중층의 캐리어 이동도를 조사합니다. 동일한 수소화 패턴에서 전자 이동도는 수소 피복도 증가에 따라 단조롭게 감소합니다. 동일한 수소 피복도에서 다른 수소화 패턴은 이동도의 유의미한 변화를 초래합니다. 25%와 6.25% HG에서 25% 패턴 I의 μₑ(ΓK)는 8985.85 cm²/(V·s), 6.25% 패턴 I의 μₑ(ΓK)는 23,470.98 cm²/(V·s)로 다른 패턴보다 훨씬 높습니다. 한편 h-BN 기판은 정공 이동도에 유의미하게 영향을 미치지만 전자 이동도에는 제한적 영향만 미칩니다. 적층 패턴 I과 II의 정공 이동도는 HG 단일층과 유사하지만, 적층 패턴 III과 IV보다 훨씬 낮습니다.
수소화 그래핀(HG)[1,2]은 가장 유망한 그래핀 기반 소재 중 하나입니다. 수소 저장[3], 강자성[4], 형광[5], 열 정류[6] 등 광범위한 응용으로 폭넓은 주목을 받았습니다. 금속성 그래핀과 달리 HG는 조절 가능한 밴드갭을 가진 반도체로 예측됩니다[7,8]. 따라서 전계효과 트랜지스터(FET)[9]의 채널 소재로 사용될 수 있습니다. 우수한 FET는 채널 소재의 초고 캐리어 이동도를 가져야 합니다. 잘 알려진 바와 같이 기존 SiO₂ 기판은 FET 성능에 상당한 부정적 영향을 미칩니다[10]. 최근 연구에 따르면 단일층 육방정계 질화붕소(h-BN)[11,12]가 그래핀 기반 FET 기판의 유망한 후보입니다. 단일층 h-BN과 HG는 격자 정합 구조로 더 나은 접촉 성능을 나타냅니다. 따라서 HG/h-BN 이중층은 FET 채널의 이상적 구조입니다. 불행히도 HG/h-BN 이중층 구조의 전자적 특성에 대한 관련 연구는 아직 소수입니다. HG/h-BN 이중층의 캐리어 이동도 성능은 여전히 열린 질문입니다.
현재 HG 연구 대부분은 수소화를 통한 원하는 전자적 특성 공학에 전념합니다[13-18]. Gao 등[13]은 HG의 수소 피복도와 구성에 따른 밴드갭 의존성을 연구했습니다. Sahin 등[14]은 원자 패턴(수소화)과 홀 패턴(탄소 원자 제거) 그래핀 나노메시의 밴드 구조 효과를 비교했습니다. Shkrebtii 등[15]은 C₁₆Hₙ 시스템(n=0,2,8,16)으로 제한된 HG의 밴드 구조를 조사했습니다. Song 등[16]은 다양한 육각 공극을 가진 HG의 밴드갭을 계산했습니다. Bruzzone 등[17]은 제1원리 시뮬레이션으로 서로 다른 수소 피복도(100%, 75%, 25%)를 가진 HG의 이동도를 계산해 25% HG가 가장 높은 이동도를 가짐을 발견했습니다. h-BN에 수소화를 적용한 연구도 있습니다. Chen 등[19]은 수소화를 이용해 h-BN에서 반도체-금속 전이를 실현했습니다. Liang 등[20]은 100% HG와 100% 수소화 h-BN 간 상호작용을 연구했습니다. HG/수소화 h-BN의 전자 이동도가 50 cm²/(V·s)에 불과해 그래핀과 거리가 멀음을 보였습니다.
요약하면 HG/h-BN 이중층의 캐리어 이동도 연구는 아직 충분하지 않습니다. HG/h-BN 이중층의 캐리어 이동도에 영향을 미치는 주요 요인, 즉 수소 피복도, 수소화 패턴, HG와 h-BN 간 적층 패턴을 명확히 해야 합니다. 본 논문에서는 제1원리 계산 기반으로 HG/h-BN 이중층 구조의 캐리어 이동도를 조사했습니다. 먼저 h-BN 기판이 HG 이동도에 미치는 영향을 조사했습니다. 둘째, 서로 다른 수소 피복도를 가진 HG의 전자적 특성을 비교했습니다. 마지막으로 25%와 6.25% HG에 서로 다른 수소화 패턴을 적용해 수소화 패턴의 영향을 밝혔습니다.
모든 계산은 밀도범함수 이론(DFT) 기반 Atomistix ToolKit(ATK)[21]으로 구현했습니다. 교환 상관은 Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE) 범함수를 사용한 일반화 기울기 근사(GGA)입니다. 반데르발스(vdW) 보정은 이중층 구조에 Grimme DFT-D2 방법[22]을 채택했습니다. HG 평면에 수직인 z 방향 셀 길이는 20 Å로 주기적 이미지 효과를 제거했습니다. k-포인트 샘플링은 33×33×1 Monkhorst-Pack 그리드입니다.
변형 포텐셜 근사(DPA) 방법[23]을 사용해 캐리어 이동도를 조사했습니다; 2D 소재의 캐리어 이동도 표현식[24,25]은:
$$ \mu =\frac{e{\mathrm{\hslash}}^3{C}_{2\mathrm{D}}}{k_{\mathrm{B}}{Tm}^{\ast }{m}_{\mathrm{d}}{E}_1^2}, $$ (1)여기서 e는 전자 전하, ћ는 약화된 플랑크 상수, k_B는 볼츠만 상수, T는 온도(사례에서 300 K로 설정), C_2D는 전파 방향의 탄성 계수입니다. E_1은 E_1 = ΔV/(Δl/l₀)로 정의되는 변형 포텐셜 상수입니다. ΔV는 적절한 셀 압축과 팽창 하 에너지 변화입니다. 전자의 전도대 최소값(CBM) 변화와 정공의 원자가대 최대값(VBM) 변화를 사용합니다. l₀는 수송 방향 격자 길이, Δl은 그 변형(Δl/l₀ = -0.01, -0.005, 0, 0.005, 0.01으로 설정)입니다. m*은 수송 방향 유효 질량으로:
$$ {m}^{\ast }={\mathrm{\hslash}}^2{\left[\frac{\partial^2E(k)}{\partial {k}^2}\right]}^{\hbox{-} 1}, $$ (2)여기서 k는 파동 벡터, E는 에너지입니다. m_d는 등가 상태 밀도 질량으로 m_d = (m_x m_y)^0.5로 정의됩니다. 변형 포텐셜 상수와 유효 질량은 밴드 구조에서 유도할 수 있으며, 탄성 계수는 포논 분산 관계에서 추출됩니다. DPA 방법이 arsenene, antimonene[26], silicene[27]의 이동도를 과대평가할 수 있음을 강조해야 합니다. 이는 굴곡 음향(ZA) 포논 효과를 고려하지 않기 때문입니다. Shuai 등[28,29]은 DPA의 적용성을 논의해 그래핀과 그래파인의 전자적 특성을 잘 추정할 수 있음을 발견했습니다. ZA 포논은 2차원 탄소 소재에서 전자-포논 상호작용에 부차적 역할을 합니다. 그래핀[28]의 실온 전자 이동도는 DPA 방법으로 3.4×10⁵ cm²/(V·s), 모든 전자-포논 상호작용 고려 시 3.2×10⁵ cm²/(V·s)로 추정됩니다. HG에 대해서는 다음 부분에서 ZA 포논 효과를 재분석할 것입니다.
먼저 HG가 100% 수소화된 경우 h-BN과 HG 간 서로 다른 적층 패턴을 조사했습니다. HG와 h-BN 간 상호작용은 공유 결합보다 훨씬 약한 vdW 힘임을 강조합니다. 따라서 다른 HG/h-BN 이중층을 분석할 필요는 없습니다. 이중층에 대한 네 가지 가능한 적층 패턴이 그림 1a-d에 나와 있으며, "a"는 격자 상수, "d"는 층간 거리입니다. 층간 거리는 그림 1a에 표시된 대로 HG 층과 h-BN 층의 기하학적 중심 간 거리로 정의됩니다. 패턴 I과 II에서 두 골격은 AA 적층이고, 패턴 III과 IV는 AB 적층입니다. 구조를 LBFGS 옵티마이저 방법으로 먼저 기하학 최적화했습니다. 힘 공차 수렴 기준은 0.001 eV/Å 미만입니다. 기하학 최적화 후 단위 세포 매개변수는 모든 적층 패턴에서 2.52 Å이며, 층간 거리는 적층 패턴에 따라 다릅니다. 패턴 I의 층간 거리가 가장 낮고 패턴 III이 가장 높습니다. 네 패턴의 vdW 보정은 각각 -651.69 meV, -658.14 meV, -658.22 meV, -651.54 meV입니다. 분명히 vdW 상호작용 경향은 층간 거리 경향과 일치합니다.
밴드 구조는 가장 중요한 전자적 특성 중 하나입니다. 적층 패턴 I-IV에 해당하는 밴드 구조를 그림 2에 나타냅니다. 각 그림에서 두 굵은 선은 각각 CBM(위)과 VBM(아래)을 포함하는 밴드를 나타냅니다. Γ(0,0,0), M(0,0.5,0), K(0.333,0.333,0)는 브릴루앵 영역의 대칭점입니다. 직접 밴드갭(DBG), 간접 밴드갭(IBG), CBM, VBM 위치 등 주요 밴드 구조 정보를 주목해야 합니다. 일반적으로 네 패턴은 유사한 밴드 구조를 가집니다. 패턴 I-IV에서 CBM과 VBM은 각각 K점과 Γ점에 있습니다. 패턴 I과 IV는 유사한 DBG(4.35 eV)와 IBG(3.25 eV)를 가지며, 패턴 II와 III의 DBG와 IBG는 약 4.22 eV와 2.98 eV입니다. 층간 거리를 비교하면 더 강한 층간 상호작용이 더 넓은 밴드갭을 유도함을 결론지을 수 있습니다. 단일층 h-BN의 밴드 구조도 PBE로 계산했습니다. h-BN의 밴드갭은 4.65 eV로 [30]의 보고값과 잘 일치합니다. 전반적으로 이 방법은 h-BN에 적합합니다.
둘째, 수소 피복도와 수소화 패턴의 영향을 고려합니다. 수소화의 영향은 공유 결합 변화에서 기인하며 vdW 힘보다 훨씬 강합니다. 따라서 이 부분에서는 HG 단일층만 조사합니다. 고려된 구조는 그림 3에 나와 있으며, "
"와 "
"는 수소 원자와 결합한 탄소 원자가 서로 다른 측면에 있음을 나타냅니다. 전체 구조 안정성을 위해 수소 원자는 양쪽에 고르게 분포시킵니다. 100% HG는 하나의 안정한 패턴만 가집니다. 8C와 2H로 구성된 25% HG는 세 가지 다른 패턴을 가집니다. 6.25% HG는 원시 세포에 32C와 2H를 가집니다. 6.25% HG의 두 패턴만 고려합니다. 그림 3b, c에서 두 수소화 탄소 원자는 패턴 I에서 인접해 있고 패턴 II에서 떨어져 있습니다. 6.25% 패턴 I, 25% 패턴 I, 100% HG는 같은 유형(두 수소화 탄소 원자가 인접)임을 알 수 있습니다. 그림 3에서 E_f는 원자당 형성 에너지입니다:
여기서 E_total은 HG의 총 에너지, E_graphene은 순수 그래핀 에너지, E_H는 H₂ 분자 원자당 에너지, n_H는 흡착된 수소 원자 수입니다. E_f는 구조 안정성 확인에 사용되며, 음수 E_f는 열역학적 안정성을 시사합니다. 그림 3 결과는 나열된 모든 HG가 안정적임을 암시합니다. η는 그래핀 대비 HG 격자 매개변수의 백분율 상승률입니다(그래핀 최소 단위 세포 길이는 2.47 Å). 전반적으로 격자 확장은 수소 피복도 감소와 함께 감소합니다. 6.25% HG에서 η는 거의 무시할 만합니다. 수소 피복도 외에도 수소화 패턴도 격자에 영향을 미칩니다. 25% HG에서 패턴 I이 세 패턴 중 가장 적게 확장되는데, 주로 수소화 탄소 원자가 인접하기 때문입니다. Δ는 버클링 파라미터로, 탄소 원자의 면외 변위 표준편차로 정의됩니다. 일반적으로 버클링 파라미터는 수소 피복도 증가와 함께 증가합니다.
위 HG들의 밴드 구조를 그림 4에 나타냅니다. 100% HG의 밴드갭은 약 4.14 eV로 선행 문헌[16,31]과 잘 일치합니다. 25% HG에서 밴드갭은 수소화 패턴에 크게 영향을 받습니다. 패턴 II는 3.0 eV IBG를 가지나 패턴 III은 0 eV IBG를 가집니다. 0에서 0이 아닌 IBG로의 변화는 금속에서 반도체로의 전이를 나타냅니다. 또한 패턴 II는 서로 다른 DBG와 IBG를 가져 CBM과 VBM이 다른 점에 있음을 시사합니다. 6.25% HG에서 두 패턴 모두 VBM과 CBM이 같은 점에 있으며, 패턴 I은 (0.153, 0.423, 0), 패턴 II는 (0.24, 0.24, 0)입니다. 두 6.25% HG의 밴드갭은 각각 0 eV와 0.49 eV로 100% HG 대비 현저히 감소했습니다. 일반적으로 수소 피복도와 수소화 패턴 모두 밴드갭 조절에 효과적입니다.
표 1은 탄성 계수 C_2D, 유효 질량 m*, 변형 포텐셜 상수 E_1의 추정값을 제시합니다. C_2D와 m*은 방향 의존적 파라미터입니다. 모든 방향 중 ΓM과 ΓK가 가장 관심사입니다. 따라서 C_2D(ΓM/ΓK)와 m*(ΓM/ΓK)를 표 1에 나열했습니다. C_2D = ρv_g², 여기서 ρ는 밀도, v_g는 음향 포논 군속도입니다. 수소화가 군속도에 미치는 영향이 적어 서로 다른 HG의 C_2D는 서로 유사합니다. HG v_g는 ΓK 방향에서 약 23 km/s, ΓM에서 19.4 km/s이므로 C_2D(ΓK)가 C_2D(ΓM)보다 훨씬 높습니다. 변형 포텐셜 상수는 서로 다른 패턴에 규칙적 경향이 없습니다. 일반적으로 HG와 h-BN 간 vdW 상호작용은 변형 포텐셜 상수를 증가시킵니다.
유효 질량은 캐리어와 방향에 의존해 더 복잡합니다. 유효 질량에 대해 주목할 세 가지 점이 있습니다. 첫째, 100% HG와 100%-HG/h-BN 이중층의 전자 유효 질량은 등방적입니다, 즉 m*(ΓM) = m*(ΓK). 이중층 구조는 100% HG 단일층 대비 전자 유효 질량을 약간 감소시킵니다. 적층 패턴은 전자 유효 질량에 미미한 영향을 미칩니다(네 패턴 모두 약 0.90). 둘째, 동일한 수소화 패턴(즉 100%, 25% 패턴 I, 6.25% 패턴 I) 하에서 전자 m*(ΓK)는 수소 피복도 감소와 함께 감소합니다. 수소 피복도가 0으로 줄어들 때 극한은 0.024(그래핀의 유효 질량)임이 보입니다. 셋째, 동일한 수소 피복도 하에서 유효 질량도 수소화 패턴에 영향을 받습니다. 25% HG에서 패턴 I의 전자 유효 질량이 다른 두 패턴보다 훨씬 낮습니다. 요약하면 유효 질량은 탄성 계수와 변형 포텐셜 상수보다 수소화에 더 영향을 받기 쉽습니다.
표 2에서 위 파라미터를 기반으로 전자 및 정공 이동도를 계산했습니다. 유효 질량이 가장 영향을 받기 쉬우므로 이동도 경향은 유효 질량과 유사합니다. 일반적으로 수소화는 그래핀 이동도를 극적으로 감소시킵니다. 그래핀의 이론적 이동도(3.2×10⁵ cm²/(V·s)[28])는 HG보다 몇 자릿수 더 높습니다. 또한 HG는 비대칭(μₑ ≠ μₕ)과 이방성(μ(ΓM) ≠ μ(ΓK)) 이동도를 가집니다. 주목할 세부사항이 세 가지 있습니다. 첫째, 동일한 수소화 패턴 하에서 전자 이동도는 수소 피복도 증가에 따라 단조롭게 감소합니다. 하지만 다른 수소화 패턴 하에서는 이 결론이 항상 성립하지 않습니다. 예를 들어 25% 패턴 II 이동도는 100% HG보다 낮습니다. 둘째, 25%와 6.25% HG에서 패턴 I이 다른 패턴보다 더 높은 μₑ를 가집니다. 25% 패턴 I의 μₑ(ΓK)는 8985.85 cm²/(V·s), 6.25% 패턴 I의 μₑ(ΓK)는 23,470.98 cm²/(V·s)로 흑린[24]과 MoS₂[32]보다 훨씬 높습니다. 셋째, h-BN 기판은 정공 이동도에 유의미하게 영향을 미치지만 전자 이동도에는 거의 영향을 미치지 않습니다. 적층 패턴 I과 II의 정공 이동도는 HG 단일층과 유사하지만 패턴 III과 IV보다 훨씬 낮습니다. 따라서 서로 다른 적층 패턴은 정공 이동도에 유의미한 영향을 미치지만 전자 이동도에는 거의 영향을 미치지 않습니다.
또한 100% HG 이동도를 종방향 음향(LA), 횡방향 음향(TA), ZA 포논을 포함한 모든 전자-포논 상호작용을 고려해 재계산했습니다. 결과는 전자 이동도가 ΓK 방향에서 105 cm²/(V·s)임을 보여줍니다. 그림 5는 LA, TA, ZA 포논의 전자-포논 상호작용 행렬 요소 |g|를 제공합니다. LA 포논이 전자-포논 상호작용에서 지배적임을 보여줍니다. 전반적으로 LA 포논은 TA와 ZA 포논보다 전자와 더 큰 상호작용 강도를 가집니다. 이동도 값이 DPA 방법 계산보다 약간 낮지만, 두 방법의 차이는 HG에서 arsenene, antimonene, silicene보다 훨씬 적습니다. 일반적으로 DPA 방법은 우리 연구에서 실행 가능합니다.
요약하면, 본 논문에서는 제1원리 계산 기반으로 HG/h-BN 이중층의 캐리어 이동도를 조사했습니다. 이동도에 미치는 영향을 HG/h-BN 이중층 적층 패턴, 수소 피복도, 수소화 패턴 관점에서 논의했습니다. 탄성 계수 C_2D, 유효 질량 m*, 변형 포텐셜 상수 E_1을 계산해 이동도를 분석했습니다. 변형 포텐셜 상수는 서로 다른 패턴에 규칙적 경향이 없습니다. 탄성 계수와 HG의 유효 질량은 방향 의존적입니다. 결과는 ΓK 방향이 더 높은 탄성 계수를 가짐을 보여줍니다. 유효 질량은 서로 다른 수소화와 적층 패턴에 더 영향을 받기 쉽습니다. 동일한 수소화 패턴 하에서 전자 이동도는 수소 피복도 증가에 따라 단조롭게 감소합니다. 동일한 수소 피복도 하에서 다른 패턴은 이동도의 유의미한 변화를 초래합니다. 25%와 6.25% HG에서 25% 패턴 I의 μₑ(ΓK)는 8985.85 cm²/(V·s), 6.25% 패턴 I의 μₑ(ΓK)는 23,470.98 cm²/(V·s)로 둘 다 다른 패턴보다 훨씬 높습니다. h-BN 기판 영향에 대해 서로 다른 적층 패턴은 정공 이동도에 유의미하게 영향을 미치지만 전자 이동도에는 거의 영향을 미치지 않습니다. 적층 패턴 I과 II의 정공 이동도는 HG 단일층과 유사하지만 패턴 III과 IV보다 훨씬 낮습니다. 전반적으로 HG/h-BN 이중층은 특정 수소화 패턴 하에서 상당한 캐리어 이동도와 밴드갭을 가져 전자공학과 포토닉스 분야에서 유망한 응용 전망을 가집니다.
나노물질
요약 그래핀은 초광대역 광흡수와 높은 캐리어 이동도로 인해 광전자 및 포토디텍션 장치에 유망한 물질로 입증되었습니다. 그러나 제로 밴드갭과 이득 메커니즘 부재로 인해 광전자 시스템과의 통합이 제한되어 왔습니다. 본 연구에서는 크기 있는 밴드갭을 가진 그래핀 나노리본(GNR) 기반 새로운 포토디텍터를 시연합니다. SiO₂와 저농도 도핑 실리콘 계면에서 트래핑 전하를 활용하여 22,400의 초고이득을 얻었습니다. 우리 장치는 향상된 포토응답도(~800 AW⁻¹)를 보이면서 응답 속도도 빠릅니다(최대 10 μs). 이 포토응답도는 이전
초록 뛰어난 절연 매체인 SF₆는 고전압 절연 장치에 널리 사용되어 전력 시스템의 안전한 작동을 보장합니다. 그러나 장기 가동 장치에서 불가피하게 발생하는 부분 방전은 SF₆를 분해시키고 절연 성능을 저하시킵니다. 본 연구에서는 DFT 계산을 수행하여 ZnO-수정된 C₃N(ZnO-C₃N) 나노시트의 SF₆ 분해 생성물에 대한 흡착 및 감지 특성을 연구함으로써, SF₆ 절연 장치의 작동 상태를 평가하기 위한 새로운 나노 후보 물질을 제안하고자 합니다. 먼저 ZnO-C₃N 단일층의 구조를 조사한 후, H₂S, SO₂, SOF₂, SO₂
