国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

二維鐵電In2Se3/InSe 垂直異質結能帶的應力調控*

2021-12-09 09:23:38李永寧謝逸群王音
物理學報 2021年22期
關鍵詞:鐵電帶隙雙軸

李永寧 謝逸群 王音?

1) (上海大學物理系,上海 200444)

2) (上海師范大學物理系,上海 200030)

近年來,二維鐵電異質結在高密度存儲及光電器件等領域展現(xiàn)了應用潛能,開發(fā)新穎二維鐵電異質結是當前的一個重要研究方向.本論文采用第一性原理計算研究二維鐵電材料α-In2Se3 與二維單層InSe 組成的In2Se3/InSe 垂直異質結的能帶結構及應力調控.計算表明,In2Se3/InSe 異質結為間接帶隙半導體,具有II 型能帶匹配.當In2Se3 的極化方向垂直表面朝外時,帶隙大小為0.50 eV,價帶頂和導帶底分別來自于InSe 和In2Se3;當In2Se3 的極化方向指向面內時,帶隙降低0.04 eV,價帶頂和導帶底的來源互換.在面內拉伸下,拉伸度越大,帶隙越小.當極化方向指向面外(內)時,在雙軸拉伸應變達到6%(8%)及以上時會使異質結由半導體轉變?yōu)閷w;在雙軸壓縮應變?yōu)楱C6%(–8%)下還可使異質結由間接帶隙變?yōu)橹苯訋?對于單軸拉伸及壓縮,定性結果與雙軸應變一致.本論文的研究結果表明改變極化方向和施加應力是調控二維In2Se3/InSe 鐵電異質結的有效方式,可為設計相關鐵電器件提供理論參考.

1 引言

自石墨烯被成功制備以來[1],各種二維材料層出不窮.在近些年電子器件小型化的趨勢下,二維材料依靠其獨特的電學、磁學性質成為新型功能材料領域的研究熱點.除石墨烯外,目前已成功制備出磷烯[2]、硅烯[3]、過渡金屬氧化物(TMDCs)[4]等二維材料.二維材料可組合成垂直范德瓦爾斯異質結,如石墨烯/h-BN[5]、石墨烯/MoS2[6]、MoS2/WS2[7]、MoS2/WSe2[8]等異質結.

二維鐵電異質結因其獨特的物性吸引了關注.如在MoTe2/CuInP2S6異質結中,CuInP2S6的極化反轉會改變異質結的開態(tài)及關態(tài)電壓[9].最近,由二維鐵電材料α-In2Se3(簡稱In2Se3)組成的異質結也吸引了大量研究.Ayadi 等[10]的研究表明在In2Se3/石墨烯異質結中In2Se3的極化反轉會引起肖特基勢壘的改變.Li 等[11]制備了基于In2Se3/MoS2異質結制成的場效應管,結果表明In2Se3/MoS2異質結場效應管可使用垂直方向電場控制開關,開關比高達200%.這些研究表明In2Se3異質結在多個領域的應用潛能,因此開發(fā)新型二維In2Se3異質結值得進一步研究.

目前,In2Se3異質結已成為學界的研究熱點,但當前的研究主要集中于分析其光學性質[12]、電學性質[13]及極化反轉對其物理性質的影響[14],對能帶調控方面的研究還不多.在諸多調控手段中,應力是目前實驗較為容易施加的一種調控手段[15?17],而且許多計算研究也表明應力是一種調控材料能帶性質的有效手段[18,19].本工作使用與單層In2Se3晶格常數(shù)接近的單層InSe 組成二維垂直范德瓦爾斯異質結,使用第一性原理計算,計算該異質結的能帶結構及應力調控.結果表明,改變單層In2Se3的極化方向可調控異質結帶隙大小及能帶匹配性質,此外施加合適的面內力學應變可有效調控異質結的帶隙類型,并產(chǎn)生半導體到金屬的轉變.

2 計算參數(shù)

本工作中所有計算均使用第一性原理軟件包Vienna ab initio simulation package (VASP).在計算中選取Perdew-Burke-Ernzerhofer(PBE)交換k 關聯(lián)泛函,平面波函數(shù)截斷能為500 eV,能量收斂標準為10–5eV;使用Grimme 等[20]提出的DFT-D3方法描述垂直異質結層間的范德瓦爾斯相互作用;原胞自洽計算采用15×15×1 的Monkhorst-pack k 點網(wǎng)格.異質結置于x-y 平面,在z 方向上設置30 ? (1 ?=0.1 nm)的真空層用以消除原胞周期映像之間的相互作用.

本文討論了異質結的多種可能結構,根據(jù)結合能來選取能量最低構型.結合能Ef定義為

其 中 EIn2Se3/InSe,EInSe,EIn2Se3分別為In2Se3/InSe

異質結、單層InSe 和單層In2Se3的總能量.

平面平均微分電荷密度 Δρ(z) 為描述異質結層間電荷轉移的物理量,在本工作中計算方法為

3 結果與討論

3.1 二維鐵電In2Se3/InSe 垂直異質結的能帶結構

單層In2Se3與單層InSe 均為六角晶胞,其中InSe 的晶格常數(shù)a=b=4.094 ?,單層In2Se3的晶格常數(shù)為a=b=4.106 ?,均與相關文獻的計算結果吻合[21,22].二者的晶格失配比為0.2%,晶格高度匹配.將單層In2Se3置于單層InSe 上方以構建In2Se3/InSe 垂直異質結.根據(jù)兩層之間In 原子的相對位置關系,構建了AA,AB,AC 三種結構,如圖1(a)所示.圖1(b)為3 種結構的結合能與層間距的關系,可看出AA 結構的結合能明顯小于AB結構的結合能.因此在本文中只研究AA-In2Se3/InSe異質結的能帶性質及調控方式.根據(jù)In2Se3的極化特點[23],構建了極化方向相反的兩種AA 構型,當In2Se3的極化方向垂直異質結所在平面(x-y面)且指向面外時(+z),稱為In2Se3/InSe (I),當極化方向垂直指向面內(–z)時,稱之為In2Se3/InSe(II),兩種結構如圖2(a)所示.它們的結合能對比如圖2(b)所示,可看出In2Se3/InSe(I)的結合能比In2Se3/InSe(II)的結合能小0.019 eV,表明In2Se3/InSe(I)較In2Se3/InSe(II)更為穩(wěn)定.這是因為在In2Se3/InSe (I)中In2Se3的自發(fā)極化方向與整體的電荷轉移方向相同,使得異質結中產(chǎn)生了更強的范德瓦爾斯相互作用[24].

圖1 (a) InSe/In2Se3 異質結的3 種堆疊方式,黑色虛線箭頭標注了異質結不同層的In 原子的位置關系;(b) 3 種結構在不同層間距下的能量;(c)圖1(b)中黑色虛框部分的局部放大圖Fig.1.(a) Three stacking methods of InSe/In2Se3heterojunctions,where black dashed arrows mark the positional relationship of In atoms in different layers of the heterojunction;(b) formation energy of the three structures at different layer spacings;(c) a partial enlarged view of the black dashed part in Fig.1 b).

圖2 (a) In2Se3/InSe (I)和In2Se3/InSe (II)的晶格結構,黑色虛框表示晶格,紅色箭頭表示異質結中In2Se3 的自發(fā)極化方向;(b)In2Se3/InSe (I)和In2Se3/InSe (II)的結合能對比Fig.2.(a) Lattice structure of In2Se3/InSe (I) and In2Se3/InSe (II),where the black dashed frame represents the crystal lattice,and the red arrow represents the spontaneous polarization direction of In2Se3;(b) binding energy comparison of In2Se3/InSe (I) and In2Se3/InSe (II).

圖3 給出了In2Se3/InSe (I) 和In2Se3/InSe (II)的投影能帶結構,其中紅色表示InSe 對能帶的貢獻,藍色部分表示In2Se3對能帶的貢獻.可看出,In2Se3/InSe (I) 是間接帶隙半導體,帶隙為0.50 eV;In2Se3/InSe (II) 也是間接帶隙半導體,帶隙為0.46 eV.In2Se3/InSe (I) 的帶隙較In2Se3/InSe (II) 增大了0.04 eV,可見極化反轉減小了帶隙.在In2Se3/InSe (I)中,價帶頂 (valence band maximum,VBM)主要來自InSe 的貢獻,而導帶底(conduction band minimum,CBM)幾乎全部來自于In2Se3.與之相反,在In2Se3/InSe (II)中,VBM 幾乎全部分布于In2Se3,CBM 主要分布于InSe.圖3(c)給出了兩種異質結VBM 及CBM 的電荷空間分布,可以明顯看到上述特點.這表明In2Se3/InSe 異質結具有II 型能帶匹配,且極化反轉會使CBM 和VBM 的空間分布對調.

圖3 (a) In2Se3/InSe (I)的能帶結構及(b)態(tài)密度;(c) In2Se3/InSe (II)的能帶結構及(d)態(tài)密度.能帶圖中紅色和藍色表示InSe及In2Se3 對能帶的貢獻,黑色箭頭表示帶隙,由CBM 指向VBM;(e)In2Se3/InSe (I)和In2Se3/InSe (II) CBM 和VBM 所在能帶的電荷空間分布Fig.3.(a) Band structure of In2Se3/InSe (I) and (b) density of states;(c) band structure of In2Se3/InSe (II) and (d) density of states,where the red and blue in the energy band diagram indicate the contribution of InSe and In2Se3 to the energy band,and the black arrow indicates the band gap,pointing from CBM to VBM;(e) decomposed charge densities of CBM and VBM for In2Se3/InSe (I) and In2Se3/InSe (II).

計算In2Se3/InSe (I)和In2Se3/InSe (II)的差分電荷密度,分別如圖4(a)和4(b)所示,其中黃色和青色區(qū)域分別表示電荷的聚集區(qū)和耗盡區(qū).從圖4 可看出,界面上的電荷分布主要存在于層間相鄰的Se 原子之間,電子主要在In2Se3一側聚集,在InSe 一側耗盡.使用Hirshfeld-I 方法[25]求出In2Se3/InSe (I)和In2Se3/InSe (II)的層間電荷轉移分別為0.033 e 和0.031 e.這一計算結果表明In2Se3/InSe (I)較In2Se3/InSe (II)發(fā)生了更多的層間電荷轉移,說明In2Se3/InSe (I)的層間相互作用要強于In2Se3/InSe (II),這也是In2Se3/InSe (I)的結合能比In2Se3/InSe(II)更低的原因.

圖4 (a) In2Se3/InSe (I) 和 (b) In2Se3/InSe (II)沿Z 方向的平面平均差分電荷密度.圖中黃色和青色包絡面分別表示電子的聚集和耗盡區(qū)Fig.4.(a) Plane-averaged charge density difference forIn2Se3/InSe (I) and (b) In2Se3/InSe (II) at equilibrium distance along the Z direction,where the yellow and cyan envelope areas representelectron accumulation and depletion,respectively.

3.2 In2Se3/InSe 異質結能帶結構的應力調控

分別研究了水平單軸和雙軸應變對In2Se3/InSe異質結能帶結構的影響.應變的施加方式如圖5 所示,其中雙軸應變沿原胞的兩個基矢方向施加;施加單軸應變時,先將原胞轉換成矩形晶胞,再沿兩個晶向施加應變.本工作中應變量μ表示為

圖5 雙軸應變(左)和單軸應變(右)的晶胞選取以及應變施加方向.Fig.5.Unit cell selection and strain application direction of biaxial strain (left) and uniaxial strain (right).

其中,a 和 a0分別代表有無應變時的晶格常數(shù),應變量μ按指定方向在–10%—10%之間,間隔為2%,負值表示壓縮應變,正值表示拉伸應變.

圖6 給出了雙軸應變下In2Se3/InSe (I)和In2Se3/InSe (II)的帶隙變化.如圖6(a)所示,對于In2Se3/InSe (I) 異質結雙軸拉伸會減小異質結的帶隙,當拉伸應變大于6%時,異質結帶隙減小為0,即發(fā)生半導體-金屬轉變.壓縮應變對異質結能帶的影響則較為復雜,較小的單軸應變會使異質結的帶隙增大,但當壓縮應變大于6%時異質結的帶隙會減小,同時還從間接帶隙變?yōu)橹苯訋?不同應變下帶隙的大小和類型見表1.綜合比較In2Se3/InSe (I)和In2Se3/InSe (II)在不同應變下的帶隙大小,可發(fā)現(xiàn)在施加相同大小拉伸應變時,In2Se3/InSe (I)的帶隙均小于In2Se3/InSe (II)的帶隙;施加相同大小壓縮應變時,In2Se3/InSe (I)的帶隙均大于In2Se3/InSe (II)的帶隙,這說明In2Se3的極化方向反轉對處于拉伸和壓縮應變下的異質結能帶的影響相反.

表1 雙軸應變下In2Se3/InSe (II)及In2Se3/InSe(I)的帶隙.Table 1.Band gap of In2Se3/InSe (I) and In2Se3/InSe(II) under biaxial strain.

圖6 (a) 不同雙軸應變下In2Se3/InSe (I)的帶隙;(b)不同雙軸應變下In2Se3/InSe (II)的帶隙Fig.6.(a) Band gap of In2Se3/InSe (I) under biaxial strain;(b) band gap of In2Se3/InSe (II) under biaxial strain.

圖7 給出了In2Se3/InSe (I)和In2Se3/InSe (II)異質結能帶隨應變的變化規(guī)律.圖中標出了不同部分對能帶的貢獻.計算結果表明,施加–8%雙軸壓縮應變時,In2Se3/InSe (I)的CBM 和VBM 所在能帶均主要由In2Se3貢獻.圖8 為施加–4%和–8%雙軸壓縮應變時In2Se3/InSe (I)的CBM 和VBM所在能帶的空間電荷分布.可看出,在–8%雙軸壓縮應變下,CBM 和VBM 所在能帶均主要分布于In2Se3.以上計算結果表明施加壓縮應變還會使In2Se3/InSe (I)的能帶匹配類型由II 型變?yōu)镮 型.

圖9 為In2Se3/InSe (I)和In2Se3/InSe (II) 在單軸應變下的帶隙變化.異質結在單軸應變下的帶隙變化趨勢與雙軸應變類似:拉伸應變會減小帶隙,較小的壓縮應變會使帶隙增大,但較大的壓縮應變則會使帶隙減小,同時也會使帶隙類型由間接帶隙變?yōu)橹苯訋?圖10 為兩種結構在單軸應變下的能帶結構,可看出在等量的拉伸應變下雙軸應變對帶隙的影響較單軸應變更大,x 方向和y 方向應變對帶隙的影響近似.在較小的等量壓縮應變下雙軸應變使帶隙增加的更多,但較小的單軸壓縮應變便可使帶隙由間接帶隙變?yōu)橹苯訋?這可由圖7 與圖10 的對比中看出.

圖7 (a)?(d)4%、8%、–4%和–8%雙軸應變下In2Se3/InSe (I)的投影能帶結構;(e)?(h) 2%、8%、–2%和–8%雙軸應變下In2Se3/InSe (II)的投影能帶結構.能帶圖中紅色部分表示InSe 對能帶的貢獻,藍色部分表示In2Se3 對能帶的貢獻Fig.7.(a)?(d) The projected band structure of In2Se3/InSe (I) under 4%,8%,–4% and–8% biaxial strain;(e)?(h) Projected band structure of In2Se3/InSe (II) under 2%,8%,–2% and–8% biaxial strain.The red part of the energy band indicates the contribution of InSe,the blue part indicates the contribution of In2Se3.

圖8 –4%和–8%雙軸應變下In2Se3/InSe(I)CBM 和VBM所在能帶的電荷空間分布以及–2%及–8%雙軸應變下In2Se3/InSe(II)CBM 和VBM 所在能帶的電荷空間分布Fig.8.Decomposed charge densities of CBM and VBM for In2Se3/InSe (I) under–4% and–8% biaxial strain and thedecomposed charge densities of CBM and VBM for In2Se3/InSe (II) under–2% and–8% biaxial strain.

圖9 (a) x 方向與y 方向單軸應變和雙軸應變下In2Se3/InSe (I)的帶隙;(b) x 方向與y 方向單軸應變和雙軸應變下In2Se3/InSe(II)的帶隙Fig.9.(a) Band gap of In2Se3/InSe (I) under x-axis strain,y-axis strain and biaxial strain;(b) band gap of In2Se3/InSe (II) under x-axis strain,y-axis strain and biaxial strain.

圖10 (a)?(d)x 和y 方向10%、–10%應變下In2Se3/InSe (I)的投影能帶結構;(e)?(h)x 和y 方向10%、–4%應變下In2Se3/InSe(II)的投影能帶結構.能帶圖中紅色部分表示InSe 對能帶的貢獻,藍色部分表示In2Se3 對能帶的貢獻Fig.10.(a)?(d) Projected band structure of In2Se3/InSe (I) under 10%,–10% x-axis strain and 10%,–10% y-axis strain;(e)?(h) projected band structure of In2Se3/InSe (II) under 10%,–4% x-axis strain and 10%,–4% y-axis strain.The red part of the energy band indicates the contribution of InSe,the blue part indicates the contribution of In2Se3.

值得注意的是,通常應力會改變鐵電材料的極化矢量的取向及大小,也即撓曲效應[26,27].本文雖然沒有直接計算不同應力下單層In2Se3極化矢量的變化,但應力對極化矢量的影響在自洽計算中自然包含在內,故本文不對極化矢量做具體的計算,而是主要聚焦于能帶在應力下的演化規(guī)律.

4 結論

本文基于第一性原理計算研究了二維In2Se3/InSe鐵電異質結的能帶結構,探討了雙軸應變和單軸應變對異質結能帶結構的調控規(guī)律.二維In2Se3/InSe(I)異質結具有間接帶隙,大小為0.5 eV;In2Se3/InSe (II)也是間接帶隙,大小為0.46 eV.兩種異質結都是II 型能帶匹配,對于In2Se3/InSe (I)結構,其VBM和CBM 分別來自于InSe 和In2Se3;極化方向反轉會使它們的CBM 和VBM 的空間分布對調.拉伸應變可減小異質結的帶隙,在一定拉伸度下可轉變?yōu)榻饘?壓縮應變則可使異質結從間接帶隙變?yōu)橹苯訋?相比而言,雙軸應變對帶隙的調控較單軸應變更有效.本論文研究結果表明機械應變可有效調控二維In2Se3/InSe 鐵電異質結的能帶結構,可為設計相關光電器件提供理論參考.

猜你喜歡
鐵電帶隙雙軸
硅片上集成高介電調諧率的柱狀納米晶BaTiO3鐵電薄膜
密度泛函理論計算半導體材料的帶隙誤差研究
鐵電材料中發(fā)現(xiàn)周期性半子晶格
科學(2020年4期)2020-11-26 08:27:12
一種基于BJT工藝的無運放低溫度系數(shù)的帶隙基準源
間距比對雙振子局域共振軸縱振帶隙的影響
一款高PSRR低溫度系數(shù)的帶隙基準電壓源的設計
電子制作(2018年1期)2018-04-04 01:48:38
簡易雙軸立銑頭裝置設計與應用
基于SolidWorks對雙軸攪拌機的靜力學分析
鐵電隧道結界面效應與界面調控
雙軸太陽能跟蹤與市電互補的路燈控制系統(tǒng)
长乐市| 湟中县| 乌拉特前旗| 陇西县| 庄浪县| 东莞市| 农安县| 红河县| 高阳县| 北碚区| 房山区| 南昌县| 威信县| 清河县| 隆化县| 巴彦淖尔市| 沐川县| 隆子县| 白水县| 桐梓县| 古蔺县| 当雄县| 岑巩县| 当阳市| 宾川县| 汝城县| 兴城市| 库车县| 汕尾市| 新民市| 万宁市| 东辽县| 桃源县| 楚雄市| 磐石市| 潮州市| 工布江达县| 怀来县| 怀安县| 共和县| 永川市|