Nanomeeting

 
 

Вход

Личные сообщения

Вы не авторизованы.

RSS-лента

 Хотите первыми получать новости с сайта NanoPlatfom.by? Это очень просто. Подпишитесь на RSS ленту. 

Подписаться на новости NanoPlatform.By

Литература

Министерство образования Республики Беларусь Nanomeeting - 2011 Микроэлектроника

Ссылки

Министерство образования Республики Беларусь Nanomeeting - internatiol conference Национальная академия наук Беларуси Государственный комитет по науке и технологиям ВАК - Высшая аттестационная комиссия

Возможности модификации ширины запрещенной зоны в двумерных гексагональных дихалькогенидах

Двумерные (2D) кристаллы представляют собой атомарно тонкие, слоистые материалы, которые имеют прочное сцепление в плоскости кристалла, но чьи соседние атомные плоскости удерживаются вместе гораздо более слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Из-за пониженной размерности носители заряда в этих материалах сильно ограничены областью до нескольких нанометров. Таким образом, изменения в электронной зонной структуре и оптических свойствах приводят к интересным и еще неизученным физическим эффектам.

Наиболее известным представителем 2Dматериалов является графен, который, однако, демонстрирует металлическое поведение, что ограничивает его применение в наноэлектронике и нанофотонике. Тем не менее, существует достаточное количество полупроводниковых структурных аналогов графена. Это 2Dдихалькогениды переходных металлов (ДПМ).

ДПМ имеют ряд привлекательных свойств. Стабильность их отдельных слоев может быть использована для создания новых наноэлектронных устройств, которые, как ожидается, обладают высокой термической стабильностью и обеспечивают более низкое потребление энергии по сравнению с существующими аналогичными устройствами. ДПМ могут быть использованы вместе с графеном в оптоэлектронных приборах, обладающих экзотическими физическими свойствами однослойных материалов, которые не присутствуют в их объемных прототипах. Монослой MoS2уже успешно применяется при изготовлении маломощных полевых транзисторов, логических схем, и фототранзисторов. Полупроводниковые двумерные ДПМ, такие как MoS2, MoSe2, WS2и WSe2рассматриваются в качестве перспективных материалов для целого ряда применений. Например, MoS2может найти возможное использование в транзисторной технологии, солнечных батареях, фотокатализе, оптоэлектронике. Другие 2DДПМ перспективны для туннельных полевых транзисторов, солнечных батарей с одним переходом, светодиодов, оптоэлектрониных приборов, фотоэлектрохимических ячеек. MoS2уже был использован в тонкопленочных транзисторах с подзатворным диэлектриком из ионного геля. Они показали отличный зонный транспорт с низким пороговым напряжением, высокой подвижностью и отношением токов включения и выключения. Транзисторы на MoS2продемонстрировали удивительно высокую механическую гибкость и отсутствие ухудшения электрических характеристик при изгибе. Были также предложены устройства памяти на основе однослойного MoS2. Были представлены амбиполярные полевые транзисторы на тонких хлопьях WS2с ионной жидкостью в качестве диэлектрика.

Далее мы рассмотрим изменения основных электронных свойств монослоев MoS2, MoSe2, WS2и WSe2с вакансиями и легированием их атомами кислорода, которые до сих пор оставались неизученными.

Полные структурные оптимизации и расчеты полной энергии в рамках теории функционала плотности с базисным набором плоских волн были выполнены для моделирования стабильных атомных механизмов и энергетических зонных спектров чистых и дефектных 2Dструктур ДПМ. Для структурной оптимизации и расчета зонных спектров было использовано приближение PAW-LDA(пакет VASP). В процессе расчетов 4p(5p) полу-остовные состояния Мо (W) рассматривались, как валентные. Был рассмотрен только 1 монослой, чтобы устранить взаимодействие ван-дер-Ваальса. Была применена энергия отсечки 520 эВ и сетка k-точек 16×16×1. Для представления ДПМ структур были использованы суперячейки с 1×1×1 до 3×3×1. Для подавления влияния соседних слоев использовался слой вакуума в 21 Å. Анализировалось влияние вакансий по атому серы/селена, а также замещенного и адсорбированного кислорода на расположение атомов и электронных зон ДПМ.

Рассчитанные зонные структуры однослойного бездефектного ДПМ для трансляционных ячеек 1×1 и 3×3 показаны на рис. 1. Характер перехода (прямой или непрямой) и значения остаются практически одинаковыми. Только в случае 3×3 переход имеет место между другими k-точками. Это можно объяснить симметрией гексагональной ячейки. Были получены следующие ширины запрещенной зоны: MoS2- 1,84 эВ (прямой), MoSe2-1,60 эВ (непрямой между Г-точкой и точкой в ​​направлении М-К), WS2- 1,97 эВ (прямой) и WSe2- 1,66 эВ (непрямой между Г-точкой и точкой в направлении Г-М). Таким образом, соединения на основе серы являются прямозонными полупроводниками и имеют большие зазоры по сравнению соединениями на основе селена. Полные плотности электронных состояний (ПЭС) для каждого соединения представлены на рис. 2.

Рисунок 1. Электронные зонные структуры 1 MLTMDSдля: а) элементарной ячейки 1×1; б) элементарной ячейки 3×3. Ноль в шкале энергий соответствует уровню Ферми.

 

Рисунок 2. Полные ПЭС 1 монослоя ДПМ для элементарной ячейки 3×3. Ноль в шкале энергий соответствует уровню Ферми.

 

Парциальные ПЭС соединений представлены на рис. 3. Очевидно, что основной вклад в образование зазора определяется d-состояниями атомов Mo(W), гибридизированными с р-состояниями атомов S(Se).

Рисунок 3. Парциальные ПЭС 1 монослоя ДПМ для элементарной ячейки 3×3. Ноль в шкале энергий соответствует уровню Ферми.

 

 

На рис. 4 показаны зонные структуры ячеек 3×3 с одним атомом S(Se), замененным атомом кислорода. Наблюдаемые изменения оказались незначительны и выражаются в основном в некотором расширении величины зазора. Самое интересное, что наблюдается трансформация непрямозонного MoSe2в прямозонное соединение. Зазоры легированных кислородом соединений следующие: MoS2- 1,85 эВ (прямой), MoSe2- 1,66 эВ (прямой), WS2- 2,01 эВ (прямой), и WSe2- 1,72 эВ (непрямой между точками Г и М).

 

Рисунок 4. Электронные зонные структуры легированных кислородом монослойных ДПМ для ячейки 3 × 3. Ноль в шкале энергий соответствует уровню Ферми.

 

Анализ парциальных ПЭС для каждого случая замещения серы кислородом показал, что состояния кислорода не вносят заметный вклад, в основном изменяя расположение основных пиков. Во всех рассмотренных случаях состояния вблизи уровня Ферми состоят, главным образом, из Mo(W), 4d- и S(Se) 3p-электронов, как и для случая нелегированных соединений. Зоны легирующей примеси кислорода в области зазора в основном образованы O2p-состояниями, но они находятся далеко от уровня Ферми и их вклад незначителен.

Изменения в поведении зон, происходящие при увеличении числа ячеек, можно было бы объяснить свертыванием зоны Бриллюэна для гексагональной решетки. Тем не менее, замещение кислородом серы/селена не изменяет дисперсию зон вблизи уровня Ферми, особенно в экстремумах зон. Таким образом, можно ожидать, что эффективные массы носителей в точках Г и K, которые имеют решающее значение для транспортных свойств материала, останутся практически такими же, как и для нелегированных соединений.

Так же было рассмотрено влияние адсорбции атомов кислорода на поверхность пленки. В отличие от легирования кислородом, ширина запрещенной зоны в результате адсорбции стала меньше: MoS2- 1,78 эВ (прямой), MoSe2- 1,55 эВ (непрямой между Г и точкой в направлении M-K), WS2- 1,90 эВ (прямой) и WSe2- 1,63 эВ (непрямой между Г и точкой в направлении М-К). Поскольку поверхность рассматриваемых пленок ДПМ однородна, существуют два возможных положения адсорбируемого атома кислорода: над одним из атомов серы/селена и в центре шестиугольника. В последнем случае структурная релаксация перемещает атом Oв междоузлия между атомами молибдена (вольфрама). Первый вариант, когда атом Oнаходится над атомом S/Se, оказался энергетически более выгодным.

Изменения в зонных структурах для случаев, когда атомы кислорода расположены над атомами Sили Se, можно проследить на рис. 5. Интересно заметить, что адсорбция атома кислорода над атомом серы/селена незначительно сокращает зазор, в то время как его расположение в глубине пленки приводит к более ярко выраженному уменьшению зазора. Были получены следующие длины связей: O-Se= 1,65 A, O-S= 1,47 Å.

Рисунок 5. Электронные зонные структуры 1 монослоя ДПМ для элементарной ячейки 3x3 с одним атомом кислорода, адсорбированным над атомом S(Se). Ноль в шкале энергий соответствует уровню Ферми.

 

При анализе парциальных ПЭС для адсорбированного кислорода (рис. 6), можно отметить некоторое перераспределение пиков. Тем не менее, вклад кислорода до сих пор не оказывает существенного значения. Только 2р состояния расположены вблизи области зазора (для лучшего сравнения величина отмасштабирована).

 

Рисунок 6. Парциальные ПЭС 1 монослоя ДПМ для элементарной ячейки 3x3 с одним атомом кислорода, адсорбированным над атомом S(Se). Ноль в шкале энергий соответствует уровню Ферми. Масштаб ПЭС атомов кислорода в 20 раз меньше.

 

Рис. 7 демонстрирует зонные структуры с одной вакансией по атому серы (селена) в ячейке. В результате наблюдаются новые зоны в запрещенной зоне, которые связаны с дефектными состояниями, в то время как остальная часть энергетических зон сохраняет практически ту же дисперсию, за исключением верхней валентной зоны. Проведенный анализ парциальных ПЭС (рис. 8) показывает, что эти зоны в основном формируются 4d-состояниями атомов молибдена (вольфрама) вместе с 3p-состояниями атомов 

 

Рисунок 7. Электронные зонные структуры 1 монослоя ДПМ для элементарной ячейки 3x3 с одной вакансией по атому S(Se). Ноль в шкале энергий соответствует уровню Ферми.

 

Рисунок 8. Парциальные ПЭС 1 монослоя ДПМ для элементарной ячейки 3x3 с одной вакансией по атому S(Se). Ноль в шкале энергий соответствует уровню Ферми.

 

В качестве еще одной возможности модификации свойств предлагается внедрение магнитных примесей в немагнитные полупроводники. Наши предварительные оценки показали, что атомы марганца, помещенные в MoS2, способны превратить этот полупроводник в полуметалл с появлением магнитного момента. Однако необходимы дальнейшие точные расчеты.

Таким образом, двумерные дихалькогениды переходных металлов MoS2, MoSe2, WS2и WSe2были изучены с целью проверки возможности модификации их запрещенной зоны путем легирования и наличия вакансий. Было установлено, что ширину запрещенной зоны рассматриваемых ДПМ можно изменить с помощью легирования кислородном, адсорбции кислорода или образования вакансий. Легирование атомами кислорода незначительно увеличивает зазор, в то время как адсорбция кислорода, наоборот, приводит к его уменьшению. Наличие вакансии на месте атома S(Se) приводит к образованию новых зон в области зазора, которые определяются, главным образом, состояниями соседних к вакансии атомов. Эти дополнительные уровни образованы Mo(W), 4(5)d- и S(Se) 3(4) р-состояниями. Следовательно, можно предположить, что некоторые искусственно введенные дефекты способны изменить значения зазора и другие свойства ДПМ. Изучение влияния других примесей выглядит многообещающим.

 
 
 
 
 

Сайт сделан в Центре Наноэлектроники и Новых Материалов, НИЧ БГУИР, по заказу Министерства Образования РБ.